Ansys Lumerical RCWA仿真应用实例

前言

该示例演示了RCWA求解器的基本功能。计算了硅光子晶体平板的反射和透射，以及平板内部的电场。通过收敛测试，将不同k向量数量的结果与文献中的模拟结果进行比较。最后，将反射和透射计算为频率、入射角和偏振的函数。

说明

本例中的模拟是使用RCWA求解器钟进行的，从2022 R1版开始，可在FDTD中找到此功能。本实例通过脚本文件进行设置和运行，通过使用RCWA脚本命令访问和调用RCWA求解器。最新 2022R2.4 版本已支持 RCWA GUI 用户界面设置。

步骤1：初始计算

典型的模拟参数用于RCWA求解器来计算法向入射时，光子晶体板的透射和反射。此外，仿真还计算了板中心的电场值。

计算得到的透射率和反射率如下：

传输结果与参考文献中图7的结果相似。由于几何形状的是对称的，因此这些结果对于S和P偏振都是相同的。与参考文献中的结果类似，频率被归一化为光子晶体的周期：

Normalized frequency=f(a/c)

其中f是频率，a是周期，c是光速。对于S偏振光源，在149.896 THz的频率下，位于平板中心处（z=0）的电场平方的幅值，如下图所示：

第2步：收敛性测试

通过使用RCWA解算器扫描k向量的数量来执行收敛测试，以确定传输峰值位置如何收敛到参考文献中的结果。此外，仿真还记录了每次模拟所需的时间，以观察模拟时间与k向量的数量的关系。

在此步骤中，重复使用步骤1中的几何体模型和光源设置，并且在运行RCWA求解器之前，扫描会更改仿真中k向量的数量。然后，通过脚本程序找到透射光谱中三个峰值的频率，并计算与参考文献图8中，近似收敛峰值位置相比的相对误差。peak1、peak2和peak3的这些参考值分别为0.5058、0.526和0.542。相对误差σ定义为：

其中fsim是模拟结果中峰值的频率，fref是参考文献中峰值的近似频率。结果绘制如下：

我们可以看到，随着k向量数量的增加，峰值位置收敛到与[1]中的值非常一致的值。RCWA模拟的准确性随着k向量数量的增加而增加，因此这些都是预期结果。

还记录了作为k向量数量的函数的模拟时间。结果如下图所示。

我们可以看到，如预期的那样，每次模拟所需的时间随着k向量的数量而增加。

步骤3：入射角扫描

RCWA求解器用于计算在一定入射角范围内，光子晶体板的反射和透射。

在脚本的这一部分中，RCWA求解器在步骤1和步骤2中以相同的仿真模型运行一系列频率和入射角。根据步骤2的结果，将k向量的ZUI大数量设置为40，以实现精度和模拟时间之间的平衡。S和P偏振的透射结果由脚本绘制。结果如下：

审核编辑：汤梓红