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Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例

发布日期:
2022-11-15

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前言


该示例演示了RCWA求解器的基本功能。计算了硅光子晶体平板的反射和透射,以及平板内部的电场。通过收敛测试,将不同k向量数量的结果与文献中的模拟结果进行比较。结果,将反射和透射计算为频率、入射角和偏振的函数。


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例


说明


本例中的模拟是使用RCWA求解器钟进行的,从2022 R1版开始,可在FDTD中找到此功能。本实例通过脚本文件进行设置和运行,通过使用RCWA脚本命令访问和调用RCWA求解器。新的 2022R2.4 版本已支持 RCWA GUI 用户界面设置。


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例



步骤1:初始计算

典型的模拟参数用于RCWA求解器来计算法向入射时,光子晶体板的透射和反射。此外,仿真还计算了板中心的电场值。


计算得到的透射率和反射率如下:


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例


传输结果与参考文献中图7的结果相似。由于几何形状的是对称的,因此这些结果对于S和P偏振都是相同的。与参考文献中的结果类似,频率被归一化为光子晶体的周期:

Normalized frequency=f(a/c)


其中f是频率,a是周期,c是光速。对于S偏振光源,在149.896 THz的频率下,位于平板中心处(z=0)的电场平方的幅值,如下图所示:


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例



第2步:收敛性测试

通过使用RCWA解算器扫描k向量的数量来执行收敛测试,以确定传输峰值位置如何收敛到参考文献中的结果。此外,仿真还记录了每次模拟所需的时间,以观察模拟时间与k向量的数量的关系。



在此步骤中,重复使用步骤1中的几何体模型和光源设置,并且在运行RCWA求解器之前,扫描会更改仿真中k向量的数量。然后,通过脚本程序找到透射光谱中三个峰值的频率,并计算与参考文献图8中,近似收敛峰值位置相比的相对误差。peak1、peak2和peak3的这些参考值分别为0.5058、0.526和0.542。相对误差σ定义为:


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例


其中fsim是模拟结果中峰值的频率,fref是参考文献中峰值的近似频率。结果绘制如下:


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例


我们可以看到,随着k向量数量的增加,峰值位置收敛到与[1]中的值非常一致的值。RCWA模拟的准确性随着k向量数量的增加而增加,因此这些都是预期结果。


还记录了作为k向量数量的函数的模拟时间。结果如下图所示。


Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例



我们可以看到,如预期的那样,每次模拟所需的时间随着k向量的数量而增加。


步骤3:入射角扫描

RCWA求解器用于计算在一定入射角范围内,光子晶体板的反射和透射。


在脚本的这一部分中,RCWA求解器在步骤1和步骤2中以相同的仿真模型运行一系列频率和入射角。根据步骤2的结果,将k向量的极大数量设置为40,以实现精度和模拟时间之间的平衡。S和P偏振的透射结果由脚本绘制。结果如下:

Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例

Ansys Lumerical RCWA 仿真应用实例


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