什么是OptiFDTD以及FDTD

OptiFDTD是一款功能強大，高度集成，用戶友好的軟件，可以對高級無源光子器件進行計算機輔助設計和仿真。OptiFDTD是基于有限時域差分法（FDTD）的軟件。FDTD方法已成為集成衍射光學器件仿真的有力工程工具。該方法直接求解麥克斯韋方程，沒有預處理假設，允許FDTD模擬定義幾何體，光源和探測器，同時可以模擬傳播，散射，衍射，反射，偏振效應。它還可以模擬材料各向異性和色散，而無需對場行為進行任何假設，例如緩慢變化包絡近似方法。FDTD能夠實現有效且強大的仿真能力，并對具有非常精細結構細節(jié)的亞微米器件進行分析。亞微米級表示高度的光限制，并且相應地，在典型的器件設計中使用的材料的折射率差異大，這是使用其他數值方法無法解決的限制。

FDTD依賴于求解域的空間和時間的離散化。耦合的電磁場沿著由Yee單元組成的網格進行離散化。磁場和電場分量以交錯的方式定位在每個單元的邊緣上。 通過計算立方體的相對邊緣上的兩個場分量之間的有限差分，可以獲得場的空間導數的二階近似。有限差分法同樣用于近似場的時間導數。用于計算和更新每個時間步的電場和磁場的模擬空間的算法稱為Yee算法。當空間和時間步長趨于零時，計算問題的解的精度應收斂。這種增加的準確性是以完成模擬所需的時間和存儲模擬所需的內存為代價的。

模擬網格中的每個單元表示具有設置材料屬性的小體積。 OptiFDTD中的材料可以是多種類型：

 各向同性和對角各向異性電介質

 使用Drude，Lorentz或Lorentz-Drude模型的色散材料

 完美導體

 非線性材料（2階，3階或者拉曼）

除了這些材料之外，FDTD模擬還需要定義光源和探測器，以便可以將功率注入到網格中，并且可以監(jiān)視場域。光場可以保存為時變域或者使用離散傅里葉（DFT）轉換為頻域。

OptiFDTD工作流程

使用OptiFDTD創(chuàng)建和運行FDTD模擬可以使用以下4個主要程序來完成：

 OptiFDTD Designer-OptiFDTD主要程序。從這里，您可以創(chuàng)建新設計、設置模擬參數、編寫腳本和啟動模擬。數據保存在擴展名為.fdt的項目文件中。

 OptiFDTD Simulator-從設計器運行模擬并處理.fdt文件中的項目文件。在Desinger中執(zhí)行模擬時自動打開。模擬結果存儲在擴展名為.fda的文件中。

 OptiFDTD Analyzer-使用OptiFDTD Analyzer（.fda）加載并分析生成的結果文件。包含廣泛的查看選項、分析和后處理功能，并具有將數據導出為其他文件格式的功能

一個典型的FDTD仿真設計順序可以定義為：首先定義仿真域大小，然后定義仿真中使用的材料和輪廓，然后創(chuàng)建組成仿真的對象、光源和探測器，運行仿真，最后分析結果。使用OptiFDTD進行的典型模擬的工作流程如下所示。

OptiFDTD應用領域

• 介電質光柵和金屬光柵

• CMOS傳感器設計

• VCSEL激光無源設計

• 光子晶體

• 集成光學

• 光學濾波片和諧振腔

• 太陽能電池

• LED和OLED無源設計

• 納米光刻

• 等離子體

• 表面等離子體諧振

• 納米粒子模擬

• 衍射微光學元件

• 皮膚散射模擬