FDTD數值仿真軟件在光電子技術課程中的應用研究

王本新

摘要：FDTD 數值仿真軟件自2003年由加拿大Lumerical Solutions公司研發以來，由于其兼具精準和可信賴的計算結果。近年來，該數值仿真軟件不僅得到了廣大科研工作者的廣泛關注和應用，而且在很多高科技企業內部也得到了普遍認可。然而該數值仿真軟件對在校大學生來說是非常陌生的。本文以江南大學理學院光電子技術課程為例，介紹該數值仿真軟件在創新教學與理論操作中的應用，本著擴展本專業學生的科研視野，提升學生的綜合素質和競爭力為目的開展本項研究工作。

Abstract： FDTD numerical simulation software has been developed by Canada Lumerical Solutions since 2003. Owing of its accurate and reliable calculation results， in recent years， this software has not only been widely concerned and applied by many researchers， but also widely recognized in many high-tech enterprises. However， this software is very strange for college students. Tasking the optoelectronic technology course of Jiangnan University as an example， this paper introduces the application the numerical simulation software in the innovation teaching and theoretical operation， and carries out this research work in the aim of expanding the scientific research field of the students in this major and promoting the comprehensive quality and competitiveness of the students.

關鍵詞：FDTD數值仿真軟件；光電子技術；理論實驗

Key words： FDTD numerical simulation software；optoelectronic technology；theoretical experiment

中圖分類號：O463+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0296-02

0 引言

隨著科技的迅猛發展，與光電相關的領域得到了快速的發展，而光電領域的快速發展是建立在各式各樣結構模型的基礎上發展而來的。可以說，性能良好的理論結構模型是促進光電領域發展的一塊基石。然而，如何能較快較準確的獲得性能良好的理論結構模型呢？這必然需要各種數值仿真軟件的快速發展[1]。目前應用較多的數值仿真軟件有COMSOL Multiphysics，HFSS，FDTD等。在這些數值仿真軟件中，FDTD 的應用最為廣泛，這是由于其具有精準的計算結果、直觀的工作界面和易于掌握的操作流程[2]。

FDTD實際上是一款基于時域有限差分法為手段求解光在微納結構中麥克斯韋方程組的數值仿真軟件。該數值仿真軟件計算功能強大，不僅可以模擬仿真紫外光、可見光、近紅外光、遠紅外光、太赫茲波乃至微波與具有微納復雜共振結構的相互作用，而且還可用于分析光與微納結構相互作用后形成新穎物理特性的共振機理、性能調控等。然而，江南大學理學院光電專業的本科生們對該數值仿真軟件非常的陌生，這無法直接對接他們以后的科研和實際工作。為提高本專業學生的綜合素質和競爭力，結合本人的實際情況展開本文的研究工作。相信本文對啟發學生的創新能力和理論研究水平能有一個較大的提高。

1 FDTD數值仿真軟件在教學中的應用現狀

2017年9月21日，國家公布了“雙一流”高校建設名單，且以后采用滾動的資助方式。在這樣的背景下，必然導致各高校之間激烈而殘酷的競爭，當然這對各高校、社會和國家的發展都是一件好事。然而，作者認為“雙一流”高校的競爭不僅體現在具有著名頭銜的教授和豐富的教學資源上，更應該體現在如何啟發學生的創新意識和能力上。創新意識和能力的提升可通過各種競賽來體現。目前很多高校開展了數值仿真軟件在教學工作中應用的探索工作[3]-[5]。如合肥工業大學開展了基于天線仿真的設計與教學實踐研究。四川大學開展了基于數值仿真軟件提取波導S參數的方法研究。江南大學理學院的光電專業在這方面也積累了一定的經驗，獲得了多項包括省級和國家級的競賽獎勵。然而目前只有少部分的學生受益而沒有全面的鋪開。

江南大學所在地無錫為長三角經濟發展的中心腹地，匯聚了大量與光電相關的企業和研究所，這些潛在的資源為本專業的畢業生們提供了廣闊的就業空間和前景。統計數據顯示，本專業近80%的畢業生活躍在長三角區域內的光電領域企業內。另據招聘單位反饋，他們著實想招聘一批兼具理論與實驗均全面發展的畢業生。結合學院和本人的研究現狀，作者認為很有必要全面鋪開FDTD數值仿真軟件在學生中的受益面，以期提升學生的競爭能力和綜合素質，進而為社會培養更多具有創新能力和意識的大學生。

2 FDTD數值仿真軟件在理論教學中的應用實踐

眾所周知，各類光電器件的構造與制作都是一項非常復雜和昂貴的過程，因此在不清楚所設想的光電器件是否可用的情況下，不可能也沒必要對每一構思的光電器件進行構造。在器件構造前需要進行大量的數量仿真研究以期獲得最優化的物理或共振性能。在獲取最優化的共振性能后，方可進行下一步的實驗構造與測試工作。因而可以說，對光電器件的性能仿真研究是器件設計的一個必要條件。鑒于FDTD數值仿真軟件各方面的優越性能，如強大的數值仿真計算能力、直觀的操作界面和易于掌握的操作流程，它廣泛應用于光電器件的優化設計方面。近年來，江南大學理學院格外重視學生創新創業能力的培養與實踐，為此專門開設了光電子技術課程，在這個課程中系統的介紹光電子技術領域的發展，并將該領域發展的基礎工作—數值仿真方面的研究帶進了課堂。讓學生在掌握光電器件領域發展的同時也能夠熟知領域內每一部分工作的理論模型與工作機理，全面提升學生的綜合能力。本文以單通道濾波器為例加以說明。

3 單通道濾波器的理論應用實踐

單通道濾波器是一種可過濾掉一連續光譜范圍內某一個特定波長或共振頻率的光電器件。由于該器件具有可純凈過濾掉某一特定波長的能力，因此它在各種工業設計和光電技術領域具有重要的應用前景。然而本專業學生對其共振機理缺乏必要的認知。鑒于此，在課程設計之初便采取手把手的教學方式指導學生參與理論實踐工作。從結構設計，模型優化，性能分析和共振機理等多方面介紹單通道濾波器件的理論知識。本文以正方形金屬框置于二氧化硅襯底的模型為例探討分析單通道濾波器的理論框架。圖1為單通道濾波器的結構示意圖。該結構的尺寸為：l=60μm，w=5μm，襯底二氧化硅的折射率為1.5。該結構的周期為P=100μm。在一連續光波的照射下，該微納光電器件可實現對A=1.31THz共振頻率點的過濾作用，見圖2（a）。

根據該過濾頻帶在圖3中的電場分布可知，該濾波器的共振機理來自于正方形金屬框的基模共振。另據共振回路模型可知，濾波點處共振頻率與金屬共振器的尺寸成反比[6]。根據這一共振特點，可預測的是正方形金屬框尺寸的擴大（或縮小）可導致A點處濾波頻率的減小（或增加），圖2（b）顯示的結論正好符合理論預測預期。以上是基于正方形金屬框實現單通道濾波性能的研究，實際上只要掌握了理論優化模型的設計思路，便可以實現雙通道甚至多通道共振濾波器件的優化設計。鑒于論文篇幅的限制，本文不再過多展開。

4 結束語

鑒于光電專業本科畢業生大多在企業從事光電器件研發工作，或進入各高校進一步學習深造。不論是在企業研發部門還是在以后的科研過程中，大都需要接觸或使用FDTD數值仿真軟件。本文的總體目標是讓學生在了解本領域發展前景的同時，熟練掌握該領域光電器件的基本設計思路，弄清各共振器件的物理機理和形成過程。這有助于提升學生的競爭能力和綜合素質，進而為社會培養更多具有創新能力和意識的大學生。

參考文獻：

[1]邢峰.電磁場數值計算與仿真分析[M].北京：國防工業出版社，2014.

[2]葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[3]汪濤，毛劍波，劉士興，黃正峰.天線仿真實驗的設計與教學實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（12）：89-93.

[4]韓軍，劉長軍，閆麗萍，華偉.一種FDTD仿真軟件提取波導S參數的方法[J].計算機仿真，2005，22（1）：80-83.

[5]朱華新，郭穎，劉桂林，李帥，孫亞軍.Zemax軟件在《工程光學》課程中的應用[J].江蘇教育學院學報（自然科學），2013，29（6）：26-27.

[6]Ye Y.， Jin Y.， He S. Omni-directional， broadband and polarization-insensitive thin absorber in the terahertz regime [J]. 2010， 27（3）：498-503.