什么是OptiFDTD以及FDTD

OptiFDTD是一款功能強(qiáng)大，高度集成，用戶(hù)友好的軟件，可以對(duì)高級(jí)無(wú)源光子器件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真。OptiFDTD是基于有限時(shí)域差分法（FDTD）的軟件。FDTD方法已成為集成衍射光學(xué)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(méi)有預(yù)處理假設(shè)，允許FDTD模擬定義幾何體，光源和探測(cè)器，同時(shí)可以模擬傳播，散射，衍射，反射，偏振效應(yīng)。它還可以模擬材料各向異性和色散，而無(wú)需對(duì)場(chǎng)行為進(jìn)行任何假設(shè)，例如緩慢變化包絡(luò)近似方法。FDTD能夠?qū)崿F(xiàn)有效且強(qiáng)大的仿真能力，并對(duì)具有非常精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的亞微米器件進(jìn)行分析。亞微米級(jí)表示高度的光限制，并且相應(yīng)地，在典型的器件設(shè)計(jì)中使用的材料的折射率差異大，這是使用其他數(shù)值方法無(wú)法解決的限制。

FDTD依賴(lài)于求解域的空間和時(shí)間的離散化。耦合的電磁場(chǎng)沿著由Yee單元組成的網(wǎng)格進(jìn)行離散化。磁場(chǎng)和電場(chǎng)分量以交錯(cuò)的方式定位在每個(gè)單元的邊緣上。 通過(guò)計(jì)算立方體的相對(duì)邊緣上的兩個(gè)場(chǎng)分量之間的有限差分，可以獲得場(chǎng)的空間導(dǎo)數(shù)的二階近似。有限差分法同樣用于近似場(chǎng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。用于計(jì)算和更新每個(gè)時(shí)間步的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的模擬空間的算法稱(chēng)為Yee算法。當(dāng)空間和時(shí)間步長(zhǎng)趨于零時(shí)，計(jì)算問(wèn)題的解的精度應(yīng)收斂。這種增加的準(zhǔn)確性是以完成模擬所需的時(shí)間和存儲(chǔ)模擬所需的內(nèi)存為代價(jià)的。

模擬網(wǎng)格中的每個(gè)單元表示具有設(shè)置材料屬性的小體積。 OptiFDTD中的材料可以是多種類(lèi)型：

 各向同性和對(duì)角各向異性電介質(zhì)

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

 完美導(dǎo)體

 非線(xiàn)性材料（2階，3階或者拉曼）

除了這些材料之外，F(xiàn)DTD模擬還需要定義光源和探測(cè)器，以便可以將功率注入到網(wǎng)格中，并且可以監(jiān)視場(chǎng)域。光場(chǎng)可以保存為時(shí)變域或者使用離散傅里葉（DFT）轉(zhuǎn)換為頻域。

OptiFDTD工作流程

使用OptiFDTD創(chuàng)建和運(yùn)行FDTD模擬可以使用以下4個(gè)主要程序來(lái)完成：

 OptiFDTD Designer-OptiFDTD主要程序。從這里，您可以創(chuàng)建新設(shè)計(jì)、設(shè)置模擬參數(shù)、編寫(xiě)腳本和啟動(dòng)模擬。數(shù)據(jù)保存在擴(kuò)展名為.fdt的項(xiàng)目文件中。

 OptiFDTD Simulator-從設(shè)計(jì)器運(yùn)行模擬并處理.fdt文件中的項(xiàng)目文件。在Desinger中執(zhí)行模擬時(shí)自動(dòng)打開(kāi)。模擬結(jié)果存儲(chǔ)在擴(kuò)展名為.fda的文件中。

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

一個(gè)典型的FDTD仿真設(shè)計(jì)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(duì)象、光源和探測(cè)器，運(yùn)行仿真，最后分析結(jié)果。使用OptiFDTD進(jìn)行的典型模擬的工作流程如下所示。

OptiFDTD應(yīng)用領(lǐng)域

• 介電質(zhì)光柵和金屬光柵

• CMOS傳感器設(shè)計(jì)

• VCSEL激光無(wú)源設(shè)計(jì)

• 光子晶體

• 集成光學(xué)

• 光學(xué)濾波片和諧振腔

• 太陽(yáng)能電池

• LED和OLED無(wú)源設(shè)計(jì)

• 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(xué)元件

• 皮膚散射模擬