基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发

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二维光子晶体波导传输特性的FDTD分析

0引言1987年，美国的E.Yablonovitch [1]和S.John [2]各自独立地提出了“光子晶体”（photonics crystal ）的概念，即如果将折射系数不同的介质在空间按一定的周期排列，当周期参数与光波长同一数量级时，由于周期结构带来的布拉格散射，那么该晶体能够在一定的频率范围内产生“光子带隙”（photonic band gap ，PBG ），也称“光子禁带”。

光子晶体的能带结构特性决定了其不同于其他介电材料的特性。

光子晶体[3，4]是一种具有周期结构的人造材料，因为其应用范围广泛，一经问世就引起了学术界高度关注。

随着对光子晶体的深入研究，科学家们相信对光子晶体的研究和应用将会极大地推动光子学和光子产业的发展。

目前，在理论上，科学家们提出了多种模拟计算光子晶体的理论方法。

具有固定结构和参数的光子晶体，借助计算机，人们可以很容易计算出其能带结构、反射和透射等物理性质。

在二维光子晶体方面，分析研究不同介质常数形成的不同周期结构的光子晶体的能带结构和分析由线缺陷构成的光波导的特性仍是人们的研究课题之一。

本论文将采用时域有限差分法研究无限长Al 2O 3介质棒在空气中排列形成的二维光子晶体，通过分析反射和透射等特性，算出该完整周期结构光子晶体的带隙。

接着设计一种线缺陷，形成波导结构，进而计算和验证缺陷态的存在。

1计算方法时域有限差分法（FDTD ）是电磁场数值计算的经典方法之一，其被应用于光子晶体的理论研究[5]始于上世纪90年代。

在三维直角坐标系中，时域有限差分（FDTD ）中离散的电场和磁场的空间分布如图1所示，每一个磁场分量周围有四个电场分量；每一个电场分量周围有由四个磁场分量。

电磁场分量的这种空间取样方式既符合符合法拉第电磁感应定律和安培环路定律，又适合Maxwell 方程的差分计算，可以完整地描述电磁场随着实践在空间的的传播。

根据时域有限差分（FDTD）理论，Maxwell差分方程可以写为：同理可以写出H y 、H z 、E y 、E z 的Maxwell 差分方程。

二维平板光子晶体器件的设计与应用研究的开题报告

二维平板光子晶体器件的设计与应用研究的开题报告一、研究背景和意义光子晶体是一种具有周期性结构的介质，能够在特定波长下产生光子禁带效应，由此产生布拉格反射和透射现象，呈现出高效的光学性能，受到广泛的关注。

平板光子晶体器件是一种利用光子晶体禁带结构来控制光的传输和处理的器件。

该器件结构简单、制备方便，并且具有高品质因子和波导耦合能力强的优点，因此在光通信、传感、光学陀螺仪、全光计算等领域有着广泛的应用。

二、研究内容和方向本课题旨在设计并制备一种基于二维平板光子晶体的器件，并研究其在光通信和光谱分析等方面的应用。

具体工作内容包括以下几个方面：1. 设计并优化二维平板光子晶体结构，包括布拉格反射镜、光波导、耦合器和光电探测器等。

采用有限元软件对光子晶体结构进行仿真和优化。

2. 制备二维平板光子晶体器件，采用光刻技术制备光子晶体结构，利用溅射和真空蒸镀技术制备金属电极和探测器等。

3. 对制备的器件进行光学性能测试，包括透射谱、反射谱、透过率、耦合效率等。

对器件进行性能分析和评价。

4. 研究二维平板光子晶体器件在光通信和光谱分析等领域的应用，探索其在全光计算、光传感等方面的前景。

三、研究方法和技术路线1. 设计和优化二维平板光子晶体器件结构，采用有限元软件仿真和优化，优化出适合器件性能的结构参数。

2. 制备二维平板光子晶体器件，采用光刻技术制备光子晶体结构，利用溅射和真空蒸镀技术制备金属电极和探测器等。

3. 对制备的器件进行光学性能测试，包括透射谱、反射谱、透过率、耦合效率等。

利用计算机模拟对测试结果进行分析和评价。

4. 研究二维平板光子晶体器件在光通信和光谱分析等领域的应用，利用实验数据和数值计算结果对应用前景进行研究和探索。

四、预期成果通过本课题的研究，预期得到以下几个方面的成果：1. 设计并制备出一种基于二维平板光子晶体的器件，具有良好的光学性能和可靠的性能指标。

2. 研究该器件在光通信和光谱分析等领域的应用，探索其在全光计算、光传感等领域的前景。

二维光子晶体结构研究与器件研制的开题报告

二维光子晶体结构研究与器件研制的开题报告
一、研究背景
随着信息技术的快速发展，光电子学领域的研究也日趋重要。

而二维光子晶体作为一种新型纳米结构材料，因其优异的光学性能在光电子领域应用中受到广泛关注。

二维光子晶体是一种由周期性的介质柱组成的具有光子禁带结构的材料。

其表现出来的光子禁带与晶体禁带在许多方面都很相似。

而二维光子晶体具有晶体和材料的双重性质，不仅具有优异的光学性能，还具有可设计性强、可制备性高等优良特性。

因此，二维光子晶体在传感、光学通信、光电波导器件等领域有着广泛的应用前景。

二、研究内容
本文将重点研究二维光子晶体的结构设计、制备及其应用。

具体研究内容如下：
1.二维光子晶体结构设计：通过建立二维光子晶体的理论模型，优化结构参数，设计具有优异光学性能的二维光子晶体结构。

2.二维光子晶体制备：采用化学气相沉积法、激光束法等技术，制备具有优异光学性能的二维光子晶体结构。

3.二维光子晶体器件研制：利用二维光子晶体的光学反射、透射、吸收等性质，开发新型光电波导器件、传感器件等。

三、研究意义
本文的研究对推动光电子学领域的发展具有重要意义。

首先，对二维光子晶体的结构设计和制备技术进行研究，将拓宽二维光子晶体的适用范围。

其次，通过开发新型光电波导器件、传感器件等，将为传感、通信、信息存储等领域带来更多的应用可能性。

最后，本文的研究成果将有望推动我国光电子学领域的研究和产业发展。

二维光子晶体透射特性的FDTD数值研究

(Δ x ) - 2 + (Δy ) - 2 ( 9)
( 1) ( 2)
ϖ
( ) ( r) 5 E r , t × H ( r , t) = - ε 5t
ϖ ϖ ϖ

ϖ
2. 3 边界条件与初始场选择
T EM 波有两种偏振状态 : T E 模 ( M 偏振 ) , H 与 z 轴平行 ,电磁分量分别是 ( Ex , Ey , 0 ) , ( 0 ,0 , H z ) 。
收稿日期 :2005 - 06 - 24. 基金项目 : 江苏省自然科学基金资助课题 (B K2004059) .
但是在可见光和红外波段制作这样的微结构 , 还是困难重重。相比较而言 ,二维 ( 2D ) 光子晶体既存在着众多的应用 [ 1 ] ,又相对比较容易制造。目前研究光子晶体能带结构和光传输特性的方法主要有 : 平面波展开法 ( PW E) [ 2 ,3 ] 、有限时域差分法 ( FD TD) [ 4 ,5 ] 、转移 ( 传输 ) 矩阵法 ( TMM ) [ 6 ,7 ] 、多 [8] 重散射法 ( Order2N ) 等。本文用 FD TD 对二维光子晶体透射系数进行数值研究 , 研究其中完全禁带的特点及影响禁带的主要因素 , 为实验制作和应用提供理论依据。本文把 FD TD 法用于二维光子晶体透射特性
1 引言
近年来 , 介质周期结构中的电磁波行为引起了人们广泛的研究。介质周期结构 ,即所谓光子晶体 , 可以存在光子禁带 ( 在该频率区域光子晶体将禁止任何光或电磁波的传播) 。光子晶体的出现展示了许多重要的应用前景 , 如高效率激光器、光电子器件、新型波导等 ,这些应用都是基于光子晶体的禁带特征。虽然三维光子晶体具有更广泛的应用潜力 ,

二维光子晶体线缺陷特性的FDTD分析

光子晶体是Ｙｂｏｏｉｈ和Ｊｈ别在讨论周ａｌｖｃｎｔｏｎ分期性电介质结构对材料中光传播行为的影响各自独立提出来的ＬＪ因其具有控制光子的流动能力而１，备受关注Ｌ．子晶体的结构可理解为折射率周３光Ｊ期性排布的一种材料，这种折射率呈周期性排布在的电介材料中，些波段的电磁波因周期性结构的某强散射效应（ｔｎａｅｉｇｆｃ）无法在电介材ｓｏｇｓｔｒｅｔ将ｒｃｔｎｅ料中传播，而形成光子带隙结构－］ｐｏｏｉ因２（ｈｔｃｎｂｄｇｐｓｓｍ，称ＰＧ结构）光子晶体的非凡ｎａ．ａｙｔ简ｅＢ．本领正是由于这个带隙结构的存在．在二维的完整光子晶体中引入缺陷后，子晶光
结果表明，于禁带内的电磁波能在线缺陷内传播，处且在拐角处能耗较小．计算了处于带隙内的单频时谐波在几种线缺陷结构内的传播行为及电场分布，电场值分布仍可得到单频时谐波在拐角处能耗小的结论．从
关键词：子晶体时域有限差分方法光子晶体波导光
ｍｉｍｔｏＦＴ．ＴｅＴａｅｏｈｔｎｃｃｓｌｓｈｓａｃｂｅｔｈａｓｓｉｏｆｃｎｅｓｓａｅｄ（ＤＤ）ｈＥｗｖｆｏｉｒｔｅｒｅｒｏｊｃ．Ｔｅｔｎｍｉｏｃｅｉｔｒｕｎｈｐｏｙａｉｔｅｈｒｓｎｉｆｅｖ
ＷＡＮＧｈｎｙｎＬＵｈｏｂｎＳｅ — ｕ．ＩＳａ — ｉ

二维光子晶体结构设计的建模,算法和仿真研究

二维光子晶体结构设计的建模,算法和仿真研究随着科学技术的不断进步，光子学在众多领域发挥着日益重要的作用。

在特定的应用中，如激光技术、光通信等，光子晶体结构被广泛用于实现特殊功能。

为此，开发出有效的工程方法是非常重要的。

理论上讲，光子晶体结构的设计可以通过矢量模式分析、方程数值求解、局域模拟等方法进行，但是，在复杂条件下，以上方法很难解决光子晶体设计中存在的各种问题。

因此，近年来，许多学者和研究人员开始研究基于建模、算法和仿真的光子晶体结构设计方法。

首先，建模和分析工具的运用可以有效地提高设计过程的效率和精度。

在建模方面，可以使用不同的技术来描述光子晶体结构，如FEM（有限元）、FDTD（时域有限差分）、BEM（边界元法）等。

这些工具不仅帮助我们建立准确的模型，而且还可以实现对结构状态的实时监测。

其次，算法是另一种重要的工具，用来处理特定结构中出现的问题。

不同的算法可以有效地求解出最优的设计参数，以实现预期的性能。

目前，与光子晶体结构相关的经典算法有遗传算法、模拟退火算法、模式搜索算法等，而新的算法如深度学习也在此领域得到应用。

最后，仿真技术的发展为光子晶体结构设计提供了一种有效的验证和测试方法。

使用物理仿真技术，例如FDTD和FEM，可以模拟出各种复杂的环境下光子晶体结构的相关行为，在设计过程中及时发现和解决可能出现的问题。

通过上述方法，可以有效地评估出不同结构中较优的参数，并根据要求实现对应功能。

因此，掌握建模、算法和仿真方法对于光子晶体结构设计来说是必不可少的。

然而，在实际应用中，光子晶体结构的设计过程仍然存在许多挑战。

因此，未来研究的重点是开发基于建模、算法和仿真的有效方法，并有效解决复杂结构设计中潜在的问题。

仅有这样，才能有效地应用光子晶体结构，满足多样化的应用需求。

本文以《二维光子晶体结构设计的建模、算法和仿真研究》为标题，综述了基于建模、算法和仿真技术的光子晶体结构设计方法，以提高设计效率和精度。

FDTD软件介绍及案例分析一

化模糊通过CMOS成像系统。在这些模拟中,我们照个中心象素(包括四个sub-pixels——两个,一个红色、绿色和蓝色) 与绿色光的波长550纳米通过镜头系统数值孔径为0.25。
由于不完美的滤色片,finite-sized入射光thescattering 折射、绕射内同时进行图像传感器像素,来料绿色的光照亮的矽光电二极体上方的照亮象素,相邻像素。figurebelow向下的显示能力在矽基板上的焊剂在像素所示。当接收的信号是最亮的在过去的两个中间的绿sub-pixels残余信号观测, 照亮sub-pixels红色、蓝色、绿色sub-pixels附近。
一：公司背景介绍
1、公司介绍 • FDTD Solutions软件由加拿大Lumerical Solutions公司出品。
该公司成立于2003年，总部位于加拿大温哥华。用户用该公司软件已发表大量高影响因子论文，并被许多国际著名大公司和学术团队所使用 • FDTD Solutions：基于矢量3维麦克斯维方程求解，采用时域有限差分FDTD法将空间网格化，时间上一步步计算，从时间域信号中获得宽波段的稳态连续波结果，独有的材料模型可以在宽波段内精确描述材料的色散特性，内嵌高速、高性能计算引擎，能一次计算获得宽波段多波长结果，能模拟任意3维形状，提供精确的色散材料模型
三：FDTD Solutions软件应用范围
1、应用范围：
8

四：FDTD Solutions软件应用实例库
1、FDTD Solutions应用实例库 • CMOS图像传感器像素设计 • 深紫外线（DUV）光刻仿真 • DVD表面分析 • LED光提取 • 纳米粒子散射 • 纳米线栅偏振器 • 光子晶体VCSEL • SPR纳米光刻 • 薄膜太阳能器件 • 波导微腔

基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发

基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发
彭小舟;张冶金;杨四刚;陆洋;陈向飞;谢世钟
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2006(023)006
【摘要】介绍了一个基于时域有限差分法(FDTD)的二维光子晶体器件设计软件PCCAD,所用的核心算法是时域有限差分法.与同类FDTD商业软件相比,特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板,多种点源、线源,先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能.快速傅里叶变换及Pade算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速.软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计,探索新的器件结构.最后,利用此软件设计了直波导、T型波导等二维平面光子晶体器件.
【总页数】3页(P1-2,35)
【作者】彭小舟;张冶金;杨四刚;陆洋;陈向飞;谢世钟
【作者单位】清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北
京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于AutoCAD二次开发室内设计软件开发方法研究 [J], 李伙友
2.集成光波导器件的计算机辅助设计软件的开发（1996年7月11日收到,12月…
[J], 彭宇恒;王玮
3.基于测量S参数的有源器件FDTD建模方法 [J], 陈智慧;褚庆昕
4.基于二维光子晶体的THz频分复用器件 [J], 张会;常胜江
5.基于IP库的可编程器件辅助设计软件 [J], 俞日龙;俞承芳
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维普资讯
第２卷第６３期
２００６年６月
计算机应用与软件
ＣｍｐｔｒＡｐｉａｉｎｎｏｔａｅｏｕｅｐｌｔｓａｄＳｆｒｃｏｗ
Ｖｏ．３．．Ｉ２Ｎｏ６
Ｊｎ２０ｕ．０６
与同类ＦＴＤＤ商业软件相比，特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板，多种点源、线源，先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能。快速傅里叶变换及Ｐｄａｅ算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速。软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计，探索新的器件结构。最后，利用此软件设计了直波导、Ｔ型波导等二维平面光子晶体器件。关键词时域有限差分法（ＤＤ光子晶体ＦＴ）设计软件
区域内的任意位置设置观察点，对观察点采集的电磁场数值的处理引入了快速傅立叶变换（Ｆ）ＦＴ以及Ｐｄ算法，ｒａｅ能够快速精确地分析器件的频率响应特性，得到响应峰值及品质因子（Ｑ值）。
１ＰＣＤ系统的结构与设计ＣＡ
（ｈｌｔｎｃｎｉｅｒｇＤｅａｔｎ。ｓｇｕｎｅｓｙＢｉｎ００４ＣｉａＴｅｅｒｉＥｇｎｅｉｐｒｔＴｉｈａＵｉｒｉ，ｅｇ１０８，ｈｎ）Ｅｃｏｓｎｍｅｎｖｔｉｆ
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进行扫描，得到损耗曲线，以进行优化设计。另外，可以在计算
０引言
二维平板光子晶体是目前光子晶体研究中的一个重要分支，目前，有关二维平板光子晶体的理论已经基本成熟 ”“ ，但是设计和工艺还处在起步阶段，关的设计软件还很不成熟。相二维平板光子晶体结构复杂，实验制作难度大费用高，先期的理
ｐｏｏｉｒｓｌｖｇｉｅｉｄｓｇｅｓｎｈｓｓｆｒ．ｈｔｎｃｃｔｓｗａｅｕｄｓｅｉｎｄｕｉｇｔｉｏｗａｅｙａｔ
Ｋｅｗｏ￣ｙｒ
ＦＴＰｏｏｉｒｓａＤｅｉｎｓｆａｅＤＤｈｔｎｃｃｔｙｌｓｇｏｗｒｔ
基于ＦＴ二维光子晶体器件设计软件的开发ＤＤ
彭小舟张冶金杨四冈陆０洋陈向飞谢世钟
（清华大学电子工程系北京１０８００４）
摘
要
介绍了一个基于时域有限差分法（ＤＤ）ＦＴ的二维光子晶体器件设计软件ＰＣＤ，用的核心算法是时域有限差分法。ＣＡ所
ＴＨＥＤＥＶＥＬｏＰＥＮＴｏＦ２ＰＭＤＨＯＴＯＮＩＣＲＹＳＣＴＡＬＳＤＥＶＩＣＥ
ＤＥＳＧＮｏＦＩＳＴＷＡＲＢＡＳＥＥＤｏＮＦＤＴＤ
ＰｎｉｚｏＺａｇＹｊＹｎｉｎＬａｇＣｅｉｇｅＸｅＳｉｏｇｅｇＸａｈｕｈｎｅｎａｇＳｇｇｕＹｎｈｎＸａｆｉｈｈｎｏｉａｎｉｚ