【吐血整理-历时两个月，长达万字】FDTD Solutions学习笔记

内容来自于Ansys-Lumerical官方的FDTD100，网址：https://optics.ansys.com/hc/en-us/sections/360007813194

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废话不多说，以下是正文

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一、建立结构

(这部分内容少，因为比较简单)

1.index各向异性材料的数字，如1.4

2.对角各向异性用分号分隔的三个值表示，如2、3、4，第一个值是x方向折射率，第二个y，第三个z。

3.根据变量x,y,z定义随空间变化的折射率分布和分号分离。

局限性:整个频率只能定义恒定折射率实际。

下拉选择其他材料，表示色散材料(折射率随频率变化)。

4.对2D结构图元，物质材料属性在模拟中由表面电导率来表征。2D结构可用于表示导电材料的薄膜，近似无限薄。
结构材料包括PEC，完美的导电体，RLC负载。

5.（n,k）material在空间上引入指定折射率的3D对象。指定3D矩形位置网格上的折射率。仅用于单频模拟，不能用于指定色散材料的空间变化折射率。

6.材料的mesh order网格顺序属性用于确定两种材料在同一区域重叠时的优先级。非线性材料应仔细设置模拟。

7.添加新材料，选择Sampled 3D data→import data→选择合适的单位→指定哪个列对应哪些数据？→finish

8.材料拟合。确保模拟材料与采样材料数据匹配，使模拟结果准确。每次使用新材料或新光源波长范围时，在运行模拟前检查材料拟合。
Material Explorer的Advanced settings中的imaginary weight,虚拟合中设置实数和虚数的相对权重，表示同时考虑实数和虚数。
如果实数拟合更好，通常是因为实数较大，对RMS贡献更大。

二、模拟区域

1.对于较大的模拟体积，或在研究强共振系统时，需要长时间衰减，以增加最大的模拟时间。如果模拟时间太短，则在频域监视器的结果中会出现伪影，如在透射光谱中发现人工波纹。

2.网格精度滑块可设置在1-8之间，其中1表示每个波长至少6个网格点，2表示每个波长10个点，以此类推，使用网格精度8，每个波长最多34个点。材料的折射率越高，网格就越小，因为高折射率的材料的有效波长就越小。网格精度对应于每个波长18或22个网格点的4或5，被认为是高精度。在定义高精度之间，应在初始精度为1或2的网格精度下运行。
Uniform的mesh type只允许沿每个方向指定统一的网格步长。网络可以通过指定该方向上的网络单元数或最大网格步长来指定。
自定义不均匀custom non-uniform很少使用。

3.时间步长设置包括DT和DT稳定因子，dt设置显示时间点，dt稳定因子的设置是倍乘因子，可以用来减少时间步长。默认的时间步长设置通常就足够了，长时间步长会增加操作模拟的时间。但如果模拟在某些情况下不稳定，则需要较小的时间步长。最小网格步长the minimum mesh settings防止设置不合理的小网格步长。生成网格的网格步长不得低于设置最小网格步长的限制。


4.设置仿真区域时，boundary conditions的standard适用于所有边界PML模拟。如果是周期性装置，可以将光衍射到阶跃角（steep angle）,所以选择steep angle。
5.在mesh refinemen网格细化方法的设置；FDTD解中的网格是矩形的，曲面或与笛卡尔轴成角度的曲面会导致一些网格单元包含多种材料。一个简单的优化选项是台阶，它填充了整个单元作为占据网格单元体积最大的材料。采用保型网格法（conformal meshing technology）可以解决结构边界附近的麦克斯韦方程，可以更好地表示平面，从而有效地提供一定数量的压力单元精度。保型网格的使用可以获得类似于具有更精细模拟网络的台阶方法的精度。
Comform variant 0 是默认的网格细化选项，将保型网格算法应用于所有非金属界面。值得注意的是，保型网格算法比简单加权平均网格体积的材料复杂得多。使用金属界面conformal variant 1网格微调可能导致金属表面的人工模态，特别是当模拟网格过于粗糙时。conformal variant 1时，将需要额外的收敛性测试。
比较使用保型变体1和保型变体0获得的结果，建议确保结果之间没有重大差异.

6.为了准确分析厚度，建议一层至少有两个网格。细网格必须用于金属和介电材料之间的界面，以便场地可以集中在表面。
设置等效折射率选项，可指定整个体积的等效折射率，自动网格划分算法将生成适合指定网格的折射率。

7.大多数模拟至少用于某些边界PML。
标准用于大多数模拟（standard）PML配置文件是最好的选择，可以在不显著影响模拟速度的情况下最大限度地吸收。
当磁场以陡峭的角度射击时PML上时，应使用陡峭的角度轮廓或掠角(steep angle)，通常超过60度。PML角度轮廓在陡峭角度吸收场时效率较低的问题上使用较多PML层层吸收场。
当仿真遇到数值发散问题时，应使用稳定的轮廓（stabilized）。发散主要起源于PML区域。
自定义选项（custom）允许特定用户完全访问以调整所有用户PML参数。
8. 有时会遇到无法选择边界条件的模拟结构。如果边界处的场为零，则边界条件无关紧要。在这种情况下，金属边界是模拟最快的边界条件的最佳选择。
9. 理想磁导体（PMC），边界采用完美的磁导体而不是完美的电导体。
10. 在周期性边界的情况下，周期性由仿真的跨度确定。其结构、电磁场、和光源都必须是周期性的，因此，平面波源最常用于周期性的边界条件。
11. Bloch边界用于周期性的模拟，其中以一定角度注入光源。他们类似于周期性边界，其中一个边界重新出射的光从相反的边界反射。但是他们将所需的相位差添加到重新注入的光中，对应于由于光源的角度而在单位单元之间累积的相位。
12. 可以利用对称性在仿真中采用对称和反对称边界条件，在仿真中减少需要仿真的体积。在模拟区域中，当您的结构和源在中间具有对称平面时，对称边界和减小求解器需要模拟的区域的大小。
当使用对称边界时，该边界仅应用于最小边界（min）,大边界（max）应设置为没有对称性的任何边界，通常是PML。

唯一的例外是对周期结构使用对称界面时，在这种情况下，在周期方向上同时设置最小和最大边界以使用对称或反对称边界。需勾选allow symmetry on all boundaries.

13. 模拟自动关闭选项在“高级选项”选项卡中设置。默认情况下，一旦自动关闭级别下降到1e-5以下或上升