Photonics – Chinese

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Ansys Insight: 周期结构、宽光谱平面波斜入射时仿真应该使用什么边界条件(综合贴)

    • Guilin Sun
      Ansys Employee
      此帖子最初在原KX论坛,转移到此论坛后,有些链接可能有问题,待以后有时间再行修正。

      希望此帖子为这类问题提供一个清晰的解决方案。

      使用周期性边界条件的前提是:结构和光源都必须举有周期性。平面波实际上有无限大的波阵面,用周期性边界相当于无限大。

      问题:结构是周期的,当入射光为有角度入射,而非垂直入射时,fdtd仿真的边界条件应该用周期边界条件吗?还是bloch边界?分别是怎么规定的?

      A:周期结构、平面波入射时,在周期方向,一定是需要周期性边界条件。

      在添加平面波时,需要选择平面波的类型:

      希望此帖子为这类问题提供一个清晰的解决方案。

      使用周期性边界条件的前提是:结构和光源都必须举有周期性。平面波实际上有无限大的波阵面,用周期性边界相当于无限大。

      问题:结构是周期的,当入射光为有角度入射,而非垂直入射时,fdtd仿真的边界条件应该用周期边界条件吗?还是bloch边界?均分别是怎么规定的?

      A:周期结构、平面波入射时,在周期方向,一定是需要周期性边界条件。

      在添加平面波时,需要选择平面波的类型:
      1. 垂直入射时,可以使用Periodic,光源编辑界面上Bloch/Periodic是缺省的设置。


      2.斜入射时,取决于使用什么平面波技术,有两个不同的方法:

      2.1. Bloch边界条件 这是一种普遍的边界条件,由于数学上要求它只能针对指定的波长有指定的入射角,其它波长的实际入射角将不同于指定的那个入射角,因此一般情况下,它适合单波长计算。多波长需要扫描波长,此时需要锁定材料拟合和网格生成的光谱范围。光源编辑界面上Bloch/Periodic是缺省的设置,监视器也需要设置为记录单波长。

      更多说明参见

      2016A 最新版FDTD Solutions新添加了一种针对周期结构的“固定角度光源技术BFAST”,此技术可以一次仿真得到斜入射时宽光谱结果,一般来说比传统的Bloch+平面波技术要快。但是有一种情况必须使用Bloch+平面波,即光源的入射角大于全反射角。 使用Bloch边界为什么要扫描波长?这是因为要满足Bloch边界条件,只有中心频率的实际入射角是所设置的,其它波长和评论的实际入射角将不同于所设定的入射角,参见下图和知识库: [image] [image] 使用Bloch边界对光源设置有什么要求? 此时,光源要设置为单色,在扫描组需要同时扫描起始和终止波长,可以在光源中的参数中找到wavelength start 和wavelength stop,并选定一定的要扫描的波长个数。 使用Bloch边界对网格设置有什么要求? 一般为了得到一致的精度,建议锁定扫描波长范围内的网格,方法是,在FDTD/Advanced里面,给出要扫描的最短波长和最长波长。 使用Bloch边界对功率监视器设置有什么要求? 此时可以通过监视器通用的GlobalSettings选择,仅监视一…

      宽光谱+Bloch,需要插值,适合宽光谱多角度仿真

      请问对于最新的2016a版的FDTD里面计算斜入射时,多角度是不是还是只能用Sweep进行扫描?另外在计算过程有没有什么设置可以使计算加快?因为我最近的计算发现,有时虽然计算的内存占用的小,但是收敛的却很慢

      常见的问题:不收敛。主要原因,脉冲太短,需要在时间域设置长脉冲;另外,有些波长的光接近或者达到90度入射,由于周期效应,这些光场将反复谐振,使非物理的,需要减小这些波长的入射功率(即加长脉冲)。

      2.2. BFAST技术

      光源编辑界面上必须选择BFAST设置,这种平面波技术有自带的特殊边界条件,适合宽光谱固定角度仿真,下面这个帖子有详细描述,参见

      在2016a最新版中,Lumerical的FDTD Solutions新添了宽谱固定角度光源技术Broadband Fixed Angle Source Technique (BFAST),其最大优点是,可以在斜入射情况下,一次仿真可以得到周期结构的正确宽谱结果,所有波长的实际入射角是相同的: [image] 而Bloch+平面波技术一般来说需要扫描波长,每次只有一个频率的角度是正确,其它波长的入射角理论上讲不同于中心频率的角度(即所设置的角度),参见这个帖子。 这是一种基于分离场的技术,将入射角完全固化在场的迭代方程中,且在有角度的平面内使用自己特有的边界条件,不同于以前的FDTD。 如何选择BFAST光源? 在添加的平面波General中,plan wave type 选BFAST就可以: [image] 选择BFAST光源后如何设置边界条件? 因为次技术只能用于周期结构,所以 沿光源入射轴方向仍然是PML; 在有角度的平面(传播的切向)使用BFAST光源技术本身的边界条件,原来设置的不管是什么边界条件,都将被BFAST光源技术本身的边界条件锁替代,同时显示红三…

      此方法的角度限制

      在利用该光源模拟平面波在空气中的传播时,发现入射角度大于80度的时候计算时间变得很长,而且对于所模拟的光波段而言,短波的模拟效果要好一些,但是长波得到的结果已经失去了平面波电场的分布特性,请问这个问题该怎么解决。我以经设置了较细的mesh和模拟时间。 如果用单波长光源大角度入射的时候,在FDTD里面最大的角度能计算到多少?

      常见问题:发散。原因,PML和仿真的时间步长。前者可能需要使用Stabilizied或者Steepangle PML,或者增加PML层数,后者可以减小dt multiplier。

      当然,对于大角度,例如80度以上的角度,不仅周期性边界需要设置正确,还需要采用steep angle的PML,另外其层数也可能需要增加。不仅如此,超大入射角对于BFAST技术一般比较有挑战性,不仅仿真很慢,而且很可能发散。

      光源的一般介绍参见

      FDTD Solutions 目前有偶极子,平面波,高斯(标量和矢量),TFSF,模式光源以及用户自定义光源。各类光源的说明见知识库介绍。 偶极子光源:物理上可以实现的点光源,主要应用于典型应用是OLED带结构计算 以及一些谐振腔的模式激发。相应的边界条件一般是PML。 **平面波:**现在根据边界条件和算法有几种选择 1:Bloch/Perioidic,传统的使用方法,一般来说必须与周期或Bloch边界联合使用,用于周期结构。但是斜入射时不同波长实际入射角不同。如果使用PML,将产生衍射: [image] https://kb.lumerical.com/ref_sim_obj_planewave_edge.html 2:BFAST,当斜入射,要得到宽光谱结果,又不想扫描波长时使用,在有角度的平面内有自己内嵌的边界条件,只能用于周期结构,斜入射时宽波长保持相同的入射角。但是此方法对于大入射角例如70度误差比较大,一般不推荐了。 3:Diffracting:少数情况下使用,相当于普通平面波+硬光阑,因而是衍射光束,不过可以在斜入射时宽波长保持相同的入射角,用PML。 当…

      周期结构结果分析:透射反射率、散射、远场、角分布、近距场分布、位相提取等 综合帖

      最近此类问题比较多,因此专门写此帖以帮助大家。这里只介绍方法,不涉及具体操作。因此,跟贴的时候请注意,具体问题例如如何设置、仿真出错等请另外发帖。本贴讨论的是周期结构,使用周期性边界条件,至于其设置和选择,可以参见后面连接的帖子或者搜索以下论坛的相关帖子。 1. 关于透射率反射率 实际上,只有周期结构平面波类型的光源(以及波导类的模式光源等)计算透射率和反射率才有物理意义。此时,只需要在透射率区添加一个透射率监视器,在光源背后,或者在光源与结构之间添加反射率监视器就可以。在之间的监视器使用见后面连接。 2. 关于不同衍射级的透射率反射率计算问题 周期结构实际上也可以统称为光栅结构,因为是无限周期的,如果有高级衍射,或者需要分析不同衍射级的透射率反射率,需要使用光栅分析脚本。 3. 关于散射问题:散射截面积、散射场分布、极化分布 散射问题,一般研究的都是非周期结构,例如飞机的散射截面积等。当然,如果一定要研究周期结构的散射,也可用TFSF来研究。 在TFSF中,散射是指用散射体不存在时的场照明散射体的结果,没有直射或者解析方法可以预测的那部分光场,不仅仅是指从光源来的直射场。 …
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