fdtd solutions(微纳光学设计环境)

　　fdtd solutions是国外开发的微纳光学设计统计，该软件提供丰富的设计功能，支持CMOS图像传感器、OLED和液晶、表面计量、表面等离子、石墨烯、太阳能电池、集成光子组件、超材料、衍射光学和光子晶体，用户可以在软件仿真模拟设计光学材料，计算光学数据，支持空间过滤、场极化、磁场、周期性结构、半球电源集成、创建折线图、投影距离缩放等多种设计方案，提供时域有限差分分析功能，有限差分时域（FDTD）方法[ 1,2,3 ]是解决复杂几何图形中麦克斯韦方程组的最新方法，作为直接的时空解决方案，它为用户提供了有关电磁和光子学中所有类型问题的独特见解，此外，FDTD还可以通过利用傅立叶变换来获得频率解，从而可以计算出所有有用量，例如复杂的Poynting矢量和光的透射/反射。

软件功能

　　用于纳米光子器件的3D / 2D Maxwell求解器

　　FDTD是用于建模纳米光子器件，工艺和材料的金标准。FDTD方法的这种经过微调的实现可在广泛的应用程序中提供可靠，强大且可扩展的求解器性能。集成的设计环境提供脚本功能，高级后处理和优化例程，使您可以专注于设计，其余的工作留给我们。

　　FDTD是Lumerical的DEVICE多物理场仿真套件中的模拟器，这是世界上第一个专门为光子学设计人员构建的多物理场套件。DEVICE Suite使设计人员能够准确地建模组件，其中光学，电子和热现象的复杂相互作用对性能至关重要。

　　3D CAD环境

　　3D CAD环境和可参数化的仿真对象可实现快速的模型迭代。

　　建立1D，2D或3D模型

　　定义自定义曲面和体积

　　从标准CAD和IC布局格式导入几何

　　多系数模型

　　使用多系数模型在大波长范围内进行精确的材料建模。

　　准确地代表宽波长范围内的真实材料

　　根据样本数据自动生成模型，或者自己定义功能。

　　先进的共形网格可与色散和高折射率对比材料兼容，对粗网格具有高精度

　　非线性与各向异性

　　模拟由非线性材料或各向异性变化的材料制成的设备。

　　从广泛的非线性，负折射率和增益模型中选择

　　使用灵活的材料插件定义新的材料模型

　　强大的后处理

　　强大的后处理能力，包括远场投影，能带结构分析，双向散射分布函数（BSDF）生成，Q因子分析和电荷生成速率。

　　FDTD加速器

　　Lumerical的高性能FDTD与高性能计算（HPC）无缝协作：

　　通过许多小型仿真，极大地加快了单个超大型仿真或参数扫描的速度

　　与本地平台或云平台（例如Amazon AWS，Microsoft Azure，Google Cloud和阿里云）无缝协作

　　使用FDTD的内置调度程序，轻松启动许多并行服务器

　　作业检查点使用户能够从硬件故障中恢复或从云提供商处获得便宜的现货定价，从而降低了计算成本

　　支持Amazon Linux和自激活许可。

　　FDTD爆破包

　　爆破包提供了购买其他FDTD加速器的便捷方法：

　　每个突发包均包含1个完整的FDTD许可证和10个FDTD加速器许可证，以使用户能够在短时间内处理Cloud / HPC系统上的大量作业

　　灵活的高性价比定价模型，适用于10天和30天“爆发”

　　快速，无缝地将FDTD仿真过渡到云中，以利用流行云计算提供商提供的大量计算资源。

　　自动化

　　FDTD可通过Lumerical脚本语言，自动化API以及Python和MATLAB API与所有Lumerical工具互操作。

　　跨多个工具构建，运行和控制仿真。

　　在MATLAB中对数据进行后处理之前，请使用一个文件来运行光学，热学和电气仿真。

软件特色

　　新功能

　　通过发布查找新产品功能。

　　布局编辑器

　　使用3D图形CAD布局编辑器。

　　模拟对象

　　详细了解用于定义模拟的仿真对象（即结构，源，仿真区域）。

　　参数扫描

　　运行参数扫描，优化和产量分析任务。

　　结果分析

　　访问和分析模拟数据。

　　薄2D纸

　　用于2D对象的新材料模型允许用户有效地模拟具有任意色散属性的薄层。这对于模拟诸如石墨烯和磷光体的二维材料非常有用，以及在具有极低亚波长层的太赫兹和微波方案中的许多应用。

　　传输线分析支持

　　增加了新的PMC边界和阻抗计算实用程序以便于在RF /微波频率中的传输线的分析。

　　增强模式求解引擎

　　FDTD解决方案和MODE解决方案中的本征模解决引擎已经升级，以减少计算时间和内存。

　　改进近场到远场投影计算的速度和功能

　　近场到远场投影计算现在能够通过多线程同时分析多个频率点。查看关于近距离远场投影的脚本命令的详细信息。

　　远场更改索引分析组已更新，以利用更新的脚本命令。

　　新脚本命令

　　add2dpoly

安装方法

　　1、下载软件以后得到多个zip，分别解压文件

　　2、打开Lumerical_FlexLM-1.5.588文件夹安装许可证，双击LFLM.msi安装

　　3、如图所示，进入安装引导界面，一直点击next直到安装结束

　　4、提示安装进度，等待安装结束点击close

　　5、在运行界面输入services.msc，点击确定

　　6、进入到服务查看界面，找到 Lumerical FlexNet Licens将其停止运行

　　7、返回下载的文件夹，打开Lumerical.2016a.build.736.win.x64.patch，打开第一个文件夹Crack 1，复制两个文件LUMERICL.exe、licenses到许可证地址替换

　　8、替换地址是C:\Program Files (x86)\Lumerical\Lumerical-FlexLM

　　9、然后启动许可服务

　　10、回到下载文件夹界面，开始安装主程序，例如安装FDTD_Solutions-8.15.736

　　11、打开FDTD_Solutions_Installer.exe进入安装界面，点击accept接受

　　12、提示安装引导界面，点击next执行安装

　　13、软件的安装协议内容，点击agree同意

　　14、提示安装结束后打开入门文件，点击next

　　15、软件的安装地址是C:\Program Files\Lumerical\FDTD\

　　16、提示安装进度界面，等待软件安装结束吧

　　17、提示软件的安装完毕界面，点击close关闭安装程序

　　18、其他的三个软件您自己安装吧，如果不需要就不用安装

　　19、打开Crack 2文件夹，将补丁复制到安装地址替换主程序

　　20、如图所示，显示四个文件夹，对应四个主程序，这里小编仅仅安装了FDTD Solutions软件，所以就复制FDTD文件夹

　　21、将文件夹复制到C:\Program Files\Lumerical替换文件夹

　　22、点击替换目标文件，替换结束就完成，如果已经安装其他三个软件，替换方式也一样

　　23、在电脑桌面找到安装结束的FDTD Solutions打开就可以工作

　　24、如图所示，这里就是FDTD Solutions软件的界面，显示英文

　　25、您可以点击help查看软件的相关功能介绍，这里就不继续说明了

使用说明

　　采样的3D数据

　　采样数据模型用于导入实验材料数据。可以使用“导入数据”按钮从文本文件中导入实验数据。此方法可用于创建无损材料。

　　可用的采样数据模型有两种类型：采样3D数据和采样2D数据。采样的2D数据可用于从2D材料（例如石墨烯）导入表面电导率数据。有关采样2D数据材料的更多信息，请参见 材料电导率模型。

　　注意：采样数据材料定义使用自动拟合例程在源指定的频率范围内生成实验数据的多系数材料模型。可以在材料浏览器中检查和调整配合。

　　公差：实验数据的介电常数与材料配合之间的期望RMS误差。拟合例程将使用最少数量的系数来产生拟合，且RMS误差小于公差。

　　最大系数：材料配合中允许使用的最大系数数。系数越大，拟合越精确，但仿真速度越慢。

　　可以在“材质资源管理器”中设置以下高级选项：

　　MASS FIT PASSIVE：设为true以防止拟合在任何频率下都具有增益。默认情况下，为防止模拟差异，这是正确的。

　　提高稳定性：如果此设置为true，则拟合例程会限制拟合系数的范围，以减少导致仿真发散的数值不稳定性。

　　假想重量：增加重量会增加电容值的虚部在计算拟合时的重要性。权重1等于介电常数的虚部和实部。

　　SPECIFY FIT RANGE：设置为true以解耦用于生成材料配合的带宽和源带宽。此选项用于更改源频率的参数扫描中，并且在整个参数扫描中使材料参数保持恒定很重要。适合范围应覆盖模拟带宽。

　　带宽范围：当“指定适合范围”为true时，用于适合的带宽。

　　电介质

　　电介质模型用于创建具有恒定实指数的材料。该材料将在所有频率上具有指定的折射率（非分散）。

　　折射率：材料的折射率。必须大于等于1。

　　（n，k）材料

　　（n，k）材料模型用于创建在单个频率下具有n和k特定值的材料。

　　REFRACTIVE INDEX：模拟中心频率处索引的实部。必须> 0。

　　虚数折射率：模拟中心频率处的虚数部分。正值对应于损耗，负值将产生增益。

　　示例和更多信息

　　n，k物料模型， 检查物料是否适合物料浏览器

　　注意：仅单频模拟！

　　这种类型的材料模型应仅用于单频模拟。（n，k）材料模型的实现使得材料属性仅在模拟的中心频率处是正确的。

　　导电3D

　　导电模型用于创建具有以下相对介电常数的材料。

　　εε：介电常数

　　σσ：电导率单位（Ωm）-1

　　注：与PEC的比较

　　当电导率变得非常大时，此模型的性能接近下面描述的理想PEC（完美电导体）模型。

　　等离子（德鲁德）

　　等离子模型用于创建具有以下相对介电常数的材料。

　　εε：介电常数

　　ωpωp：等离子体共振，以rad / s为单位

　　νCνC：等离子碰撞，以弧度/秒为单位

　　德拜

　　Debye模型用于创建具有以下相对介电常数的材料。

　　εε：介电常数

　　εdËbÿËεdËbÿË：德拜介电常数

　　νCνC：德拜碰撞，以弧度/秒为单位

　　洛伦兹

　　Lorentz模型用于创建具有以下相对介电常数的材料

　　εε：介电常数

　　ε升Ø[RËñŤžε升Ø[RËñŤž：洛伦兹介电常数

　　ω0ω0：洛伦兹共振，以弧度/秒为单位

　　δ0δ0：Lorentz线宽，以rad / s为单位

　　注意：洛伦兹模型参考

　　选项Kurt Oughstun和Natalie Cartwright，“关于Lorentz-Lorenz公式和介电色散的Lorentz模型”。Express 11，1541-1546（2003）

　　塞尔迈尔

　　Sellmeier模型用于创建由以下公式定义的材料。C系数的尺寸为平方毫米（mm2）。

　　注意：仅单频模拟！

　　这种类型的材料模型应仅用于单频模拟。Sellmeier模型的实现方式使得材料属性仅在模拟的中心频率处是正确的。

　　PEC

　　完美的导体（PEC）。该材料内的电场必须为零。它将具有100％的反射率和0％的吸收率。该模型没有参数。

　　了解“材料浏览器”和“折射率”监视器中报告的PEC的折射率

　　PEC的折射率没有很好地定义。可以通过将PEC材料视为具有无限电导率的导电材料来理解。随着电导率sigma达到无穷大，介电常数也达到无穷大。使用材质浏览器和折射率监视器返回无穷大值并不理想，因此他们将介电常数报告为eps = 1 + 1e6i，这意味着折射率报告为sqrt（1 + 1e6i）= 707 + 707i。重要的是要理解，这些值仅用于“材质浏览器”和“折射率”监视器的报告目的。实际的求解器引擎使用理想模型（即无限电导率）。

　　注意：空间吸收测量

　　求解器中使用的介电常数（无穷大）与折射率监视器（1e6）报告的介电常数之间的差异可能会导致空间吸收监视器出现问题。用一盒显示器测量总吸收功率时，这不会成为问题。请联系Lumerical支持以获取更多详细信息。

　　分析材料

　　分析材料模型允许用户输入介电常数或折射率的实部和虚部的方程式，该方程式取决于下面列出的预定义变量。有关示例，请参见页面。

　　示例和更多信息

　　简单的分析材料模型，石墨烯材料（体积法）， 使用材料浏览器检查材料是否适合

　　可以在方程式中使用的“实数”和“虚数”的预定义变量是：

　　f：指定频率单位的频率

　　l0：指定长度单位的自由空间波长

　　w：2 * pi * f以指定单位

　　k0：2 * pi / l0，其中l0以指定的长度单位

　　pi：数字pi

　　c：真空中的光速，始终以SI单位表示，即始终等于3e8

　　x1，...，x10：代表感兴趣参数的数值

　　FDTD和MODE中的标准光导材料模型

　　可以为2D矩形和多边形对象指定使用导电模型指定的材料。

　　材质浏览器的行为，网格划分算法和索引监控器

　　材料浏览器将显示表面电导率。表面电导率可以通过折射率监视器显示，或者在FDE求解器中可以显示在模式分析选项卡中。网格划分算法将尝试将网格单元自动放置在每个平面结构（2D矩形或2D多边形）的边界上，但是仍然存在无法将网格与所有2D对象对齐的情况。在这种情况下，任何未与网格对齐的平面对象都将被捕捉到最近的网格单元。

　　导电二维

　　参数和单位

　　层厚度：薄板的物理厚度，将在模拟中以2D薄板表示[m]

　　电导率：材料的整体电导率[S / m]

　　将要模拟的表面电导率将是电导率和层厚度的乘积。

　　导电3D

　　该材料被实现为3D介电常数。有关此模型的更多详细信息，请参见材料介电常数模型中的“导电3D”部分。

　　石墨烯

　　这种材料利用表面电导率来模拟石墨烯片的光学性能。不需要基础材料。

　　参数和单位

　　散射速率：散射速率与石墨烯片的样品纯度有关。该参数可以从石墨烯制造商，其他文献或用户自己对此参数的要求中获得。[eV]

　　化学势：化学势[eV]

　　温度：温度[K]

　　电导率换算：对于石墨烯层，此数字通常为1。在某些情况下，该模型还可以通过按层数缩放总电导率（例如，两层石墨烯为2）来表示多层。

　　示例和更多信息

　　石墨烯材料方法

　　PEC

　　完美的导体（PEC）。该材料内的电场必须为零。它将具有100％的反射率和0％的吸收率。该模型没有参数。

　　索引监控结果

　　这种材料的电导率是无限的，但是由于无法在折射率监测仪图中表示无限个数，因此折射率监测仪将报告有限的折射率和高表面电导率值。

　　RLC

　　RLC材料用于指定具有给定电阻（R），电感（L）和电容（C）的集总元件。材料的实现是基于集总的R，L，C值和对象沿电流流动方向的长度来计算分布的表面电导率。

　　当为对象选择的材质为时 ，可以从2D矩形对象的“材质”选项卡中定义RLC材质。RLC材料不会出现在“材料数据库”或“材料资源管理器”中。

　　通过选择R，L和C参数旁边的复选框，可以启用R，L和C的任何组合。如果选择了多个选项，则会并行添加R，L和C分量。

　　参数和单位

　　R：电阻[ohm]

　　L：阻抗[H]

　　C：电容[F]

　　电流方向：图纸平面（x，y或z）中的电流方向

　　采样的2D数据

　　采样数据材料定义使用自动拟合例程在源指定的频率范围内生成实验数据的多系数材料模型。可以在材料浏览器中检查和调整配合。

　　参数和单位

　　电导率或电阻率：材料的体积电导率[S / m]或电阻率[Ωm]。

　　层厚度：物理图纸的厚度，将在模拟中表示为2D图纸。[米]

　　公差：实验数据的表面电导率与材料配合之间的期望RMS误差。拟合例程将使用最少数量的系数来产生拟合，且RMS误差小于公差。

　　最大系数：材料配合中允许使用的最大系数数。系数越大，拟合越精确，但仿真速度越慢。

　　可以在“材质资源管理器”中设置以下高级选项：

　　MASS FIT PASSIVE：设为true以防止拟合在任何频率下都具有增益。默认情况下，为防止模拟差异，这是正确的。

　　提高稳定性：如果此设置为true，则拟合例程会限制拟合系数的范围，以减少导致仿真发散的数值不稳定性。

　　假想重量：增加重量会增加计算拟合时电导率虚部的重要性。权重1等于电导率的虚部和实部。

　　SPECIFY FIT RANGE：设置为true以解耦用于生成材料配合的带宽和源带宽。此选项用于更改源频率的参数扫描中，并且在整个参数扫描中使材料参数保持恒定很重要。适合范围应覆盖模拟带宽。

　　带宽范围：当“指定适合范围”为true时，用于适合的带宽。

　　FDTD求解器-仿真对象

　　常规选项卡

　　尺寸：模拟区域的尺寸（2D或3D）。

　　背景指数：模拟区域中周围背景介质的折射率。

　　仿真时间：要执行的最大仿真持续时间。如果在超过此最大仿真时间之前满足自动关闭标准，则实际仿真可能会更短。

　　模拟温度（K）：模拟温度，用于包含温度相关对象的模拟。

　　几何标签

　　X，Y，Z：模拟区域的中心位置

　　X MIN，X MAX：X最小，X最大位置

　　Y MIN，Y MAX：Y最小值，Y最大值位置

　　Z MIN，Z MAX：Z最小值，Z最大值位置

　　X SPAN，Y SPAN，Z SPAN：模拟区域的X，Y，Z跨度

　　网格设置选项卡

　　网格类型

　　三种类型的网格生成算法可用，如下所述

　　自动不一致（默认）：

　　根据网格精度滑块自动生成不均匀的网格。强烈建议您为初始模拟从1-2的网格精度开始，以使模拟快速运行。如有必要，可以使用更高的网格精度进行收敛性测试。

　　MESH ACCURACY参数是1到8之间的整数，其中1是低精度，而8是高精度（较小的网格）。网格划分算法涉及很多因素，包括光源波长，材料属性和结构几何形状。每个波长的网格点数（ppw）是网格划分算法的主要考虑因素。精度1对应于6 ppw的目标。Acc 2-> 10 ppw，Acc 3-> 14 ppw，依此类推，在滑块上每点递增4 ppw。重要的是要记住，波长与折射率成反比。在高折射率材料中，有效波长较小，这意味着网格算法将在高折射率材料中使用较小的网格。

　　自定义不统一：

　　此设置使用户可以使用其他选项来自定义非均匀网格的生成方式。如果使用波长设置网格单元，则默认设置10通常就足够了，但对于粗略模拟，可能会减小为6-8。

　　渐变系数确定可以修改网格的最大速率。例如，如果dx（i + 1）= a * dx（i），则1 /（分级因子）<= a <=分级因子。评分因子应在1到2之间。默认设置为sqrt（2）。

　　制服：

　　无论任何材料属性如何，均一的网格将应用于整个模拟体积。如果将网格覆盖区域与该选项结合使用，则覆盖区域将迫使网格大小无处不在，而不仅仅是覆盖区域内（毕竟，网格是均匀的）。

　　网格细化

　　网格细化：网格细化可以为仿真提供子像元精度。有关更多信息，请参见“ 网格细化选项”页面。

　　时间步：

　　DT稳定性因子：该设置确定模拟过程中使用的时间步长，定义为Courant数值稳定性极限的一部分。较大的数字将导致更快的仿真时间，而较小的数字将导致较慢的仿真时间。Courant稳定性条件要求此设置必须小于1，FDTD算法才能保持数值稳定。

　　DT：FDTD / Propagator模拟的时间步长。这由空间网格的值确定，以确保数值稳定性，并且用户无法直接设置。

　　最小网格步长设置

　　最小网格步长：最小网格步长设置整个求解器区域的绝对最小网格大小。这将覆盖所有其他网格尺寸设置，包括网格覆盖区域。

　　边界条件选项卡

　　支持的边界条件FDTD / MODE

　　PML

　　完全匹配层（PML）1的边界吸收入射在其上的电磁波。他们实质上是对开放（或无反射）边界建模。在FDTD和varFDTD模拟区域中，用户可以直接指定控制其吸收特性的所有参数，包括层数。为了便于选择PML参数，边界条件选项卡下提供了许多配置文件（或预定义的参数集）。在大多数模拟方案中，用户只需要选择预定义的配置文件之一并微调层数即可。当周围结构完全延伸通过边界条件区域时，PML边界性能最佳。无论结构是绘制在PML区域内部还是外部，这都是结构的默认行为。

　　1 JP Berenger，用于计算电磁的完美匹配层（PML）。Morgan和Claypool出版社，2007年。

　　金属

　　金属边界条件用于指定充当完美导体（PEC）的边界。平行于金属（PEC）边界的电场分量为零；垂直于金属（PEC）边界的磁场H的分量也为零。金属边界完美地反射，不允许任何能量沿该边界逸出模拟体积。在FDE求解器中，金属BC是默认设置。

　　PMC

　　完美磁导体（PMC）边界条件等于金属（PEC）边界的磁当量。平行于PMC边界的磁场H的分量为零；垂直于PMC边界的电场分量也为零。

　　定期的

　　当结构和EM字段均为周期性时，应使用周期性BC。可以在一个或多个方向上（即仅在x方向上）使用周期性边界条件来模拟在一个方向上周期性但不一定在其他方向上周期性的结构。

　　Bloch（FDTD / varFDTD）

　　当结构和EM场是周期性的，但每个周期之间存在相移时，应使用Bloch BC。在以下两种情况下，主要在FDTD和传播器模拟中使用Bloch边界条件：

　　发射与周期结构成一定角度的平面波–在这种情况下，对于给定的仿真，可以在单个频率点上测量准确的反射和透射数据。

　　计算周期性物体的能带结构–在这种情况下，宽带脉冲通过偶极子源注入到周期性结构中。

　　注意：如果选择BFAST平面波源，则Bloch BC将被自动覆盖并使用其内置边界条件。

　　对称/反对称

　　当用户对显示一个或多个对称平面的问题感兴趣时，可以使用对称/反对称边界条件。结构和来源必须对称。对称边界是电场的镜像，而磁场的反镜像。另一方面，反对称边界是电场的反镜，磁场的反镜。给定所需解的矢量对称性，必须仔细考虑是否需要对称或反对称边界条件。为了获得有意义的结果，所使用的源必须与边界条件具有相同的对称性。有关对称和反对称边界条件的更多信息，请参见对称和反对称BC之间的选择。

　　所有边界上均允许对称：允许具有周期性结构的对称边界条件（此选项在模式源和模式扩展监视器的边界条件选项卡中不可用）。