FDTD數(shù)值仿真軟件在光電子技術(shù)課程中的應(yīng)用研究

王本新

摘要：FDTD 數(shù)值仿真軟件自2003年由加拿大Lumerical Solutions公司研發(fā)以來(lái)，由于其兼具精準(zhǔn)和可信賴的計(jì)算結(jié)果。近年來(lái)，該數(shù)值仿真軟件不僅得到了廣大科研工作者的廣泛關(guān)注和應(yīng)用，而且在很多高科技企業(yè)內(nèi)部也得到了普遍認(rèn)可。然而該數(shù)值仿真軟件對(duì)在校大學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常陌生的。本文以江南大學(xué)理學(xué)院光電子技術(shù)課程為例，介紹該數(shù)值仿真軟件在創(chuàng)新教學(xué)與理論操作中的應(yīng)用，本著擴(kuò)展本專業(yè)學(xué)生的科研視野，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力為目的開(kāi)展本項(xiàng)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(guān)鍵詞：FDTD數(shù)值仿真軟件；光電子技術(shù)；理論實(shí)驗(yàn)

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

中圖分類號(hào)：O463+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0296-02

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，與光電相關(guān)的領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，而光電領(lǐng)域的快速發(fā)展是建立在各式各樣結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的?？梢哉f(shuō)，性能良好的理論結(jié)構(gòu)模型是促進(jìn)光電領(lǐng)域發(fā)展的一塊基石。然而，如何能較快較準(zhǔn)確的獲得性能良好的理論結(jié)構(gòu)模型呢？這必然需要各種數(shù)值仿真軟件的快速發(fā)展[1]。目前應(yīng)用較多的數(shù)值仿真軟件有COMSOL Multiphysics，HFSS，F(xiàn)DTD等。在這些數(shù)值仿真軟件中，F(xiàn)DTD 的應(yīng)用最為廣泛，這是由于其具有精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果、直觀的工作界面和易于掌握的操作流程[2]。

FDTD實(shí)際上是一款基于時(shí)域有限差分法為手段求解光在微納結(jié)構(gòu)中麥克斯韋方程組的數(shù)值仿真軟件。該數(shù)值仿真軟件計(jì)算功能強(qiáng)大，不僅可以模擬仿真紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光、遠(yuǎn)紅外光、太赫茲波乃至微波與具有微納復(fù)雜共振結(jié)構(gòu)的相互作用，而且還可用于分析光與微納結(jié)構(gòu)相互作用后形成新穎物理特性的共振機(jī)理、性能調(diào)控等。然而，江南大學(xué)理學(xué)院光電專業(yè)的本科生們對(duì)該數(shù)值仿真軟件非常的陌生，這無(wú)法直接對(duì)接他們以后的科研和實(shí)際工作。為提高本專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)合本人的實(shí)際情況展開(kāi)本文的研究工作。相信本文對(duì)啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和理論研究水平能有一個(gè)較大的提高。

1 FDTD數(shù)值仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2017年9月21日，國(guó)家公布了“雙一流”高校建設(shè)名單，且以后采用滾動(dòng)的資助方式。在這樣的背景下，必然導(dǎo)致各高校之間激烈而殘酷的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)然這對(duì)各高校、社會(huì)和國(guó)家的發(fā)展都是一件好事。然而，作者認(rèn)為“雙一流”高校的競(jìng)爭(zhēng)不僅體現(xiàn)在具有著名頭銜的教授和豐富的教學(xué)資源上，更應(yīng)該體現(xiàn)在如何啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力上。創(chuàng)新意識(shí)和能力的提升可通過(guò)各種競(jìng)賽來(lái)體現(xiàn)。目前很多高校開(kāi)展了數(shù)值仿真軟件在教學(xué)工作中應(yīng)用的探索工作[3]-[5]。如合肥工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了基于天線仿真的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究。四川大學(xué)開(kāi)展了基于數(shù)值仿真軟件提取波導(dǎo)S參數(shù)的方法研究。江南大學(xué)理學(xué)院的光電專業(yè)在這方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，獲得了多項(xiàng)包括省級(jí)和國(guó)家級(jí)的競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)。然而目前只有少部分的學(xué)生受益而沒(méi)有全面的鋪開(kāi)。

江南大學(xué)所在地?zé)o錫為長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心腹地，匯聚了大量與光電相關(guān)的企業(yè)和研究所，這些潛在的資源為本專業(yè)的畢業(yè)生們提供了廣闊的就業(yè)空間和前景。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，本專業(yè)近80%的畢業(yè)生活躍在長(zhǎng)三角區(qū)域內(nèi)的光電領(lǐng)域企業(yè)內(nèi)。另?yè)?jù)招聘單位反饋，他們著實(shí)想招聘一批兼具理論與實(shí)驗(yàn)均全面發(fā)展的畢業(yè)生。結(jié)合學(xué)院和本人的研究現(xiàn)狀，作者認(rèn)為很有必要全面鋪開(kāi)FDTD數(shù)值仿真軟件在學(xué)生中的受益面，以期提升學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)能力和綜合素質(zhì)，進(jìn)而為社會(huì)培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力和意識(shí)的大學(xué)生。

2 FDTD數(shù)值仿真軟件在理論教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

眾所周知，各類光電器件的構(gòu)造與制作都是一項(xiàng)非常復(fù)雜和昂貴的過(guò)程，因此在不清楚所設(shè)想的光電器件是否可用的情況下，不可能也沒(méi)必要對(duì)每一構(gòu)思的光電器件進(jìn)行構(gòu)造。在器件構(gòu)造前需要進(jìn)行大量的數(shù)量仿真研究以期獲得最優(yōu)化的物理或共振性能。在獲取最優(yōu)化的共振性能后，方可進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)構(gòu)造與測(cè)試工作。因而可以說(shuō)，對(duì)光電器件的性能仿真研究是器件設(shè)計(jì)的一個(gè)必要條件。鑒于FDTD數(shù)值仿真軟件各方面的優(yōu)越性能，如強(qiáng)大的數(shù)值仿真計(jì)算能力、直觀的操作界面和易于掌握的操作流程，它廣泛應(yīng)用于光電器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。近年來(lái)，江南大學(xué)理學(xué)院格外重視學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)與實(shí)踐，為此專門開(kāi)設(shè)了光電子技術(shù)課程，在這個(gè)課程中系統(tǒng)的介紹光電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，并將該領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)工作—數(shù)值仿真方面的研究帶進(jìn)了課堂。讓學(xué)生在掌握光電器件領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)也能夠熟知領(lǐng)域內(nèi)每一部分工作的理論模型與工作機(jī)理，全面提升學(xué)生的綜合能力。本文以單通道濾波器為例加以說(shuō)明。

3 單通道濾波器的理論應(yīng)用實(shí)踐

單通道濾波器是一種可過(guò)濾掉一連續(xù)光譜范圍內(nèi)某一個(gè)特定波長(zhǎng)或共振頻率的光電器件。由于該器件具有可純凈過(guò)濾掉某一特定波長(zhǎng)的能力，因此它在各種工業(yè)設(shè)計(jì)和光電技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而本專業(yè)學(xué)生對(duì)其共振機(jī)理缺乏必要的認(rèn)知。鑒于此，在課程設(shè)計(jì)之初便采取手把手的教學(xué)方式指導(dǎo)學(xué)生參與理論實(shí)踐工作。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模型優(yōu)化，性能分析和共振機(jī)理等多方面介紹單通道濾波器件的理論知識(shí)。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(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)的尺寸為：l=60μm，w=5μm，襯底二氧化硅的折射率為1.5。該結(jié)構(gòu)的周期為P=100μm。在一連續(xù)光波的照射下，該微納光電器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)A=1.31THz共振頻率點(diǎn)的過(guò)濾作用，見(jiàn)圖2（a）。

根據(jù)該過(guò)濾頻帶在圖3中的電場(chǎng)分布可知，該濾波器的共振機(jī)理來(lái)自于正方形金屬框的基模共振。另?yè)?jù)共振回路模型可知，濾波點(diǎn)處共振頻率與金屬共振器的尺寸成反比[6]。根據(jù)這一共振特點(diǎn)，可預(yù)測(cè)的是正方形金屬框尺寸的擴(kuò)大（或縮?。┛蓪?dǎo)致A點(diǎn)處濾波頻率的減?。ɑ蛟黾樱?，圖2（b）顯示的結(jié)論正好符合理論預(yù)測(cè)預(yù)期。以上是基于正方形金屬框?qū)崿F(xiàn)單通道濾波性能的研究，實(shí)際上只要掌握了理論優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)思路，便可以實(shí)現(xiàn)雙通道甚至多通道共振濾波器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于論文篇幅的限制，本文不再過(guò)多展開(kāi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于光電專業(yè)本科畢業(yè)生大多在企業(yè)從事光電器件研發(fā)工作，或進(jìn)入各高校進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造。不論是在企業(yè)研發(fā)部門還是在以后的科研過(guò)程中，大都需要接觸或使用FDTD數(shù)值仿真軟件。本文的總體目標(biāo)是讓學(xué)生在了解本領(lǐng)域發(fā)展前景的同時(shí)，熟練掌握該領(lǐng)域光電器件的基本設(shè)計(jì)思路，弄清各共振器件的物理機(jī)理和形成過(guò)程。這有助于提升學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)能力和綜合素質(zhì)，進(jìn)而為社會(huì)培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新能力和意識(shí)的大學(xué)生。

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