OptiFDTD应用：光栅衍射的远场分布

光栅布局在大多数情况下是周期性结构。OptiFDTD中有两种实现周期性布局的方法：PBG编辑器和VB脚本。本课将重点介绍以下功能：

•使用VB脚本生成光栅（或周期性）布局。

•光栅布局模拟和后处理分析

布局layout

我们将模拟如图1所示的二维光栅布局。 

图1.二维光栅布局

用VB脚本定义一个2D光栅布局 

步骤：

1通过在文件菜单中选择“New”，启动一个新项目。

2在“Wafer Properties”对话框中设置以下参数

Wafer Dimensions：

Length (mm): 8.5

Width (mm): 3.0 

2D wafer properties:

Wafer refractive index: Air

3点击 Profiles 与 Materials. 

在“Materials”中加入以下材料：

Name: N=1.5

Refractive index (Re:): 1.5 

Name: N=3.14

Refractive index (Re:): 3.14 

4.在“Profile”中定义以下轮廓：

Name: ChannelPro_n=3.14

2D profile definition, Material: n=3.14 

Name: ChannelPro_n=1.5

2D profile definition, Material: n=1.5 

6．画出以下波导结构：

a.Linear waveguide 1

Label: linear1

Start Horizontal offset: 0.0

Start vertical offset:-0.75

End Horizontal offset: 8.5 

End vertical offset:-0.75

Channel Thickness Tapering: Use Default

Width: 1.5

Depth: 0.0

Profile: ChannelPro_n=1.5 

b.Linear waveguide 2

Label: linear2

Start Horizontal offset: 0.5

Start vertical offset:0.05

End Horizontal offset: 1.0

End vertical offset:0.05

Channel Thickness Tapering: Use Default

Width: 0.1

Depth: 0.0

Profile: ChannelPro_n=3.14 

7.加入水平平面波：

Continuous Wave Wavelength: 0.63 General:

Input field Transverse: Rectangular

X Position: 0.5

Direction: Negative Direction

Label: InputPlane1

2D Transverse:

Center Position: 4.5

Half width: 5.0

Titlitng Angle: 45

Effective Refractive Index: Local Amplitude: 1.0 

图2.波导结构（未设置周期） 

8.单击“Layout Script”快捷工具栏或选择仿真菜单下的“Generate Layout Script…”。这一步将把布局对象转换为VB脚本代码。

将Linear2代码段修改如下:

Dim Linear2

for m=1 to 8 

 Set Linear2 = WGMgr.CreateObj ( "WGLinear", "Linear2"+Cstr(m) ) 

 Linear2.SetPosition 0.5+(m-1)*1.0, 0.05, 1+(m-1)*1.0, 0.05

 Linear2.SetAttr "WidthExpr", "0.1" 

 Linear2.SetAttr "Depth", "0" 

 Linear2.SetAttr "StartThickness", "0.000000" 

 Linear2.SetAttr "EndThickness", "0.000000" 

 Linear2.SetProfileName "ChannelPro_n=3.14" 

 Linear2.SetDefaultThicknessTaperMode True 

点击“Test Script”快捷工具栏运行修改后的VB脚本代码。生成光栅布局，布局如图3所示。 

图3.光栅布局通过VB脚本生成 

设置仿真参数

1.在Simulation菜单下选择“2D simulation parameters…”，将出现仿真参数对话框

2.在仿真参数对话框中，设置以下参数：

TE simulation

Mesh Delta X: 0.015 

Mesh Delta Z: 0.015 

Time Step Size: Auto Run for 1000 Time steps

设置边界条件设置X和Z边为各向异性PML边界条件。

Number of Anisotropic PML layers: 15

    其它参数保持默认

运行仿真

•在仿真参数中点击Run按钮，启动仿真 

•在分析仪中，可以观察到各场分量的时域响应 

•仿真完成后，点击“Yes”，启动分析仪。 

远场分析衍射波

1.在OptiFDTD Analyzer中，在工具窗口中选择“Crosscut Viewer”

2.选择“Definition of the Cross Cut”为z方向

3.将位置移动到等于92的网格点，(位置:-0.12)观察当前位置的近场

4.在Crosscut Viewer的工具菜单中选择“Far Field”，出现远场转换对话框。(图4) 

图4.远场计算对话框 

5.在远场对话框，设置以下参数：

Wavelength: 0.63 

Refractive index: 1.5+0i

Angle Initial: -90.0

Angle Final: 90.0

Number of Steps: 721 

Distance: 100, 000*wavelength 

Intensity 

6.点击“计算”按钮开始计算，并将结果保存为 Farfield.ffp。

7.启动“Opti 2D Viewer”并加载Farfield.ffp。远场如图5所示。 

图5.“Opti 2D Viewer”中的远场模式