FDTD测反射率

本案例以WO3/W薄膜为例,介绍FDTD中反射率测量的主要过程。软件版本为Lumerical的FDTD Solutions 2020a。

下面介绍主要步骤:

1. 导入材料

由于WO3材料在FDTD的材料库中没有内置,需要自己查找并导入,对于一般材料可以从如下网站中查找相应折射率:

http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/nk/

https://refractiveindex.info/

https://refractiveindex.info/

点击Materials,

在弹出的窗口中,点击Add,在弹出的选项框中选择Sampled 3D data。

点击Import,在Select File中选择折射率文件,导入即可。

2. 添加结构

结构添加通过Structures添加,选择Rectangle,添加WO3薄膜,


设置结构参数,可根据图中参数进行修改,


材料选择刚才导入的WO3。


其他两项设置默认即可,不用修改。

相同的思路,添加W层,WO3是在W上方,因此设置的时候Z方向的数值应契合好。相关设置如下:

3. 设置FDTD Region

点击Simulation,添加FDTD。由于是薄膜结构,X和Y方向是无限延伸的,因此X,Y方向设置成周期性边界条件,周期性边界条件的情况下PML可以设置成steep
angle,以提高计算速度。


结构尺寸上按需求设置,X,Y方向没有特别要求,Z方向最小值应设置在W层中,最大值在WO3上方,同时远离结构至少半个波长。其他不需要特别修改,默认即可。

4. 添加Mesh

点击Simulation右方的下拉菜单,添加Mesh。建模设计过程没有明显的先后次序要求,Mesh什么时候设置都可以。网格有两种添加方案,一是设置Mesh的尺寸,二是基于结构,这里主要考虑WO3/W薄膜反射率,可以把mesh加到WO3上。


5. 光源设置

点击Sources,加入光源。光源选择平面波,入射方向设置z负方向。光源尺寸大于FDTD尺寸(如果没有大于会在仿真时自动拓展),光源放置在结构上方,具体可以对比结构尺寸和光源尺寸查看。


随后设置入射光波长范围,这里设置成0.4~0.9。

6. 监视器设置

主要设置反射率监视器。

监视器类型选择Frequency-domain field and power。


监视器选择Z-normal,XY平面尺寸大于FDTD尺寸,大了无所谓,超出的部分不会记录数据,主要是设置Z方向的位置。反射率监视器在光源和FDTD上边界中间。


在General选项中,点击Set global monitor settings,


Frequency points数量设置为50,这个数值越大,谱线越光滑。

7. 检查运行内存

点击Check,选择Check simulation and memory requirements,


保证mesh和running
simulation不超过电脑内存大小,否则无法计算,需要降低精度才能计算。

8. 运行

上一步检查没有问题的话,点击Check旁边的Run,运行即可,等待运行结束。


一般会提前结束,提前结束的条件是Autoshutoff的数值满足FDTD中设置的停止条件。

9. 结果分析

右键点击R,可以查看该监视器平面的电场磁场等信息,选择T,查看反射率信息。


反射率曲线如下图所示


另外,FDTD仿真得到的计算结果,也可以导入Matlab中进行进一步的数据处理。

欲将反射光谱导入Matlab,可以在script prompt处输入以下语句:

R0=getresult('R','T');

R=R0.T;

lambda=R0.lambda;

matlabsave('WO3.mat',R,lambda);