光电器件仿真设计RSoft、COMSOL、FDTD

（一）案列应用实操教学：

案例一

光子晶体能带分析、能谱计算、光纤模态计算、微腔腔膜求解

案例二

类比凝聚态领域魔角石墨烯的moiré 光子晶体建模以及物理分析

案例三

传播表面等离激元和表面等离激元光栅等

案例四

超材料和超表面仿真设计，周期性超表面透射反射分析

案例五

光力、光扭矩、光镊力势场计算

案例六

波导模型（表面等离激元、石墨烯等）本征模式分析、各种类型波导传输效率求解

案例七

光-热耦合案例

案例八

天线模型

案例九

二维材料如石墨烯建模

案例十

基于微纳结构的电场增强生物探测

案例十一

散射体的散射,吸收和消光截面的计算

案例十二

拓扑光子学：拓扑边缘态和高阶拓扑角态应用仿真

案例十三

二硫化钼的拉曼散射

案例十四

磁化的等离子体、各向异性的液晶、手性介质的仿真

案例十五

光学系统的连续谱束缚态

案例十六

片上微纳结构拓扑优化设计(特殊情况下，利用二维系统来有效优化三维问题)

案例十七

形状优化反设计：利用形状优化设计波导带通滤波器

案例十八

非厄米光学系统的奇异点：包括PT对称波导结构和光子晶体板系统等

案例十九

微纳结构的非线性增强效应，以及共振模式的多极展开分析

案例二十

学员感兴趣的其他案例

（二）软件操作系统教学：

软件

入门

初识COMSOL仿真——以多个具体的案例建立COMSOL仿真框架，建立COMSOL仿真思路，熟悉软件的使用方法

COMSOL软件基本操作

• 参数，变量，探针等设置方法、几何建模

• 基本函数设置方法，如插值函数、解析函数、分段函数等

• 特殊函数的设置方法，如积分、求极值、求平均值等

• 高效的 格划分

前处理和后处理的技巧讲解

• 特殊变量的定义，如散射截面，微腔模式体积等

• 如何利用软件的绘图功能绘制不同类型的数据图和动画

• 数据和动画导出

• 不同类型求解器的使用场景和方法

软件

进阶

COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础

• COMSOL中求解电磁场的步骤

• RF、波动光学模块的应用领域

RF、波动光学模块内置方程解析推导

• 亥姆霍兹方程在COMSOL中的求解形式

• RF方程弱形式解析，以及修改方法(模拟特殊本构关系的物质)

• 深入探索从模拟中获得的结果

（如电磁场分布、功率损耗、传输和反射、阻抗和品质因子等）

边界条件和域条件的使用方法

• 完美磁导体和完美电导体的作用和使用场景

• 阻抗边界条件、过度边界条件、散射边界条件、周期性边界条件的作用

• 求解域条件：完美匹配层的理论基础和使用场景、 PML 格划分标准

• 远场域和背景场域的使用

• 端口使用场景和方法

• 波束包络物理场的使用详解

波源设置

• 散射边界和端口边界的使用方法和技巧（波失方向和极化方向设置、S参数、反射率和透射率的计算和提取、高阶衍射通道反射投射效率的计算）

• 频域计算、时域计算

• 点源,如电偶极子和磁偶极子的使用方法

• 背景场的作用及使用方法

材料设置

• 计算模拟中各向同性,各向异性,金属介电和非线性等材料的设置

• 二维材料,如石墨烯、MoS2的设置

• 特殊本构关系材料的计算模拟(需要修改内置的弱表达式)

格设置

• 精确仿真电磁场所需的 格划分标准

• 格的优化

• 案列教学

COMSOL WITH MATLAB功能简介

• COMSOL WITH MATLAB 进行复杂的物理场或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射计算)

• COMSOL WITH MATLAB 进行复杂函数的设置(如石墨烯电导函数的设置和仿真)

• COMSOL WITH MATLAB 进行高级求解运算和后处理

• COMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能带

专题二：“RSoft光电器件设计仿真技术与应用”培训大纲

Rsoft基础入门

1. RSoftCAD 使用方法

1.1 RSoftCAD界面的常规介绍，总体和局部器件参数的设置

1.2 不同2D、3D器件的建立方式

1.3 用户自定义taper形的设置

1.4 用户自定义profile折射率分布的设置

1.6 多边形和其它常规器件的建立

1.7 器件中次层结构的导入，阵列光子晶体的产生等等

1.8 输出图形数据导出及读取

1.9 常规及特殊函数的使用

无源器件系列仿真

2、FullWAVE（FDTD）模块学习

2.1 FullWAVE（FDTD）模块的算法原理，使用原则，应用范围等

2.2 输入场Launch设置的各种设置（包括时间空间设置）

2.3.监测器的设置

2.3.1 各种场，能量等的单值及空间分布监测

2.3.2 以及随波长或频率变化输出

2.3.3 监测不同时间或空间下各种参数的时时分布状态。

2.4 各种特性的测试和输出（包括各种场的输出，监视器参数输出）

2.5 输出参数收敛的计算方法等

3、实例计算：

• 二维光子晶体光学微腔共振波谱
• 品质因子及模态分布计算
• 输入输出参数、偶合/特别是overlap的理解及应用
• 传播功率、损耗等
• 光通过微器件后的透射、反射谱等
• scan参数的使用，包括自定义参数设置

光纤波导、微波导、硅光电子器件模拟

4、BeamPROP（BPM）模块学习

4.1 BeamPROP（BPM）算法原理介绍及应用范围

4.2光源launch的设置（slabmode,fibermode等各种输入源区别及使用）

4.3 pathway路径的设置、各种monitor的区别及使用

4.4 输出参数设置

4.5 模态的计算，两种模态计算方法（iterative, correction）的区别及使用范围

5、实例计算：

• 单模，多模光纤的模式计算
• 弯曲波导中的损耗计算
• 广角传输时各种参数设置
• 各种半导体光器件，如硅波导偶合器等
• Zehnder调制器、SOI光子探测器等进行模拟分析
• 其他学员感兴趣相关器件计算分析
• scan参数的使用，包括自定义参数设置

多物理场情况下的计算分析

6、Multiphysics 的原理及应用范围

6.1 介绍几种常见的影响光传输物多物理现象

（如热光，电光及应力等效应对折射率的影响）

7、实例计算：结合beampro等算法计算，分析在以上几中不同多物理效应下，光传播变化

光纤光栅结构、

光学模拟

8、Diffractmode模块、Gratingmode模块学习（结合beamprop进行讲解，并以不同专业方向为例，让学员更系统理解模块之间的关联，以便更能灵活应用）

8.1 Diffractmode模块的原理及应用领域

8.2 输入光源及不同输入位置设置

8.3 monitor原理及设置，包括可监测数据以及相应的物理原理

8.4 Gratingmode 模块原理及应用范围

8.5 各种参数的设置

9、实例教学

• 计算周期性光栅结构的衍射，反射，透射以及吸收。
• 以二维三维光栅为例，计算光的零级及多级反射，透射及衍射。
• 单波长在器件中的场分布
• 多波长在器件中的各种参数输出
• 长周期光纤光栅反射及透射的分析
• 短周期光纤光栅反射及透射的分析

课  程

内   容

FDTD基础入门

1  FDTD Solutions 求解物理问题的方法

1.1 FDTD与麦克斯韦方程 1.2 FDTD中的 格化

2  FDTD Solutions 特点与应用

3  FDTD功能与使用

• 主窗口——CAD人机交互界面

FDTD仿真流程

4  FDTD仿真通用流程

• 激励光源选择及设置（以左旋圆偏光的设置为例）
• 模拟的实体对象：基底、结构（Structures）的选择及设置
• 仿真区域及其设置（以区域大小设置及mesh选择为例）
• 不同监视器功能及使用（以超构表面频域功率监视器设置为例）
• 材料库与材料浏览器（以多晶硅与二氧化钛的数据导入为例）
• 模拟计算与分析：资源管理、运行模拟
• 结果分析：视觉化器使用Visualize、使用脚本进行高级分析

FDTD仿真实例

实例内容：

• 设置Pancharatnam–Berry型超构表面结构，单元旋向及位置
• 传输型超构表面单元的结构扫描与选取
• 传输型超构表面的相位分布设置
• 通过相位叠加螺旋相位模拟生成漩涡光
• 超构表面的透过率/聚焦效率的分析
• 不同偏振态的光入射下，验证传输型超构表面偏振不敏感性
• 利用脚本由近场计算远场
• 利用脚本的导出结果及MATLAB结果分析—偏振转换效率计算
• 利用TFSF计算纳米结构散射场信息
• 利用TFSF和自定义材料计算复合结构散射场信息
• 利用MATLAB计算结果及脚本设置超构表面—生成全息图形
• 利用导入光源进行任意光源设置
• 利用脚本构建波导结构
• 波导截面本征模式分析

模拟论文复现

5 PB型超构表面设计：生成聚焦及涡旋光斑

—-（根据发表在Science上的论文）

6 PB型超构表面设计：生成Airy光束

—-(根据发表在ACS NANO上的论文)

7 传输型超构表面设计：生成Airy光束

—-（根据发表在Photonics Research上的论文）

8 等离子激元纳米结构光学特性以及有效介质理论计算复合结构的光学特性：量化散射截面与吸收截面

—-（根据发表在ACS Nano上的论文）

9 渐变耦合双波导设计：波导本征模式转换

—-（根据发表在Physical Review Letters上的论文）

10 L型截面波导设计：不同偏振波导本征模式转换

—-（根据发表在Physical Review Letters上的论文）