基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发-图文(精)

第 23卷第 6期计算机应用与软件

Vo l 23, No . 6

2006年 6月 Co m puter Applicati o ns and Soft w are Jun . 2006

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

(清华大学电子工程系北京 100084

收稿日期 :2004-08-31。基金项目 :国家重点基础研究规划 973项目(2003CB314907 。彭小舟 , 硕士生 , 主研领域 :光子晶体平板类与

光纤类器件的研究。

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 P ade 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 (FDTD 光子晶体设计软件

THE DEVELOP M ENT OF 2D PHOTON I C CRYS TALS DEVI CE

DESI GN S OFT WARE BAS ED ON FDTD

Peng X iaozhou Zhang Y ejin Y ang S i g ang Lu Y ang Chen X iangfe i X ie Sh izhong

(TheE lectron ics E ng i n ee ring D e part m ent , T sing hua Un i v e rsit y, B eijing 100084, Ch i na

Abstrac t A 2D pho ton ic crysta l s dev ice desi gn so ft ware PCCAD, which is based on fi n ite d iffe rence ti m e do m a i n m ethod (FDTD , i s i n troduced i n this paper . T he key a l go rith m used i n t h i s so ft wa re is FDTD. Compared w i th t he ex isting comm erc i a l FDTD appli cations , PCCAD

has t he fo llo w i ng advantage :p lenty of photonic crysta l s desi gn te m plates , po int and li ne i ncidentw ave sou rce , advanced abso rb bound conditi on and the facti on o f para m ete r opti m ize scann i ng . T he applica ti on o f FFT and P ade a l gor it hm bring m ore prec i s i on and save much ti m e from s i m u l ating . Th is so ft w are is s u itable for 2D photonic crystals dev ice design or l ook i ng f o r new structure . A t the l ast of this paper , so m e types o f pho t on i c c rystals w avegu i de i s designed usi ng t h is so ft w are . K eywords FDTD Pho ton ic crysta l Des i gn soft w are

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 [1~4], 但是设计和工艺还处在起步阶段 , 相关的设计软件还很不成熟。二维平板光子晶体结构复杂 , 实验制作难度大费用高 , 先期的理论设计是必须的 , 一个好的设计软件显得尤为重要。光子晶体的理论分析方法主要有平面波展开法 [1]

, 时域有限差分法 FDTD (F i n ite D ifference T i m e Dom ain [5, 6], 多极化方法 [7]等。目前 , FDTD 是用来模拟电磁波在光波导中传播的数值算法中应用最为广泛的一种 , FDTD 由于具有适合于各种波导结构瞬态分析且结果精确而被广泛地应用。代表性的软件有美国的 R soft , 澳大利亚 VP I 的 Apo llo , 美国的 O pti w ave 。这些软件虽然功能强大 , 但是在结构编辑上有些不方便之处 , 优化扫描功能也欠缺。

本工作开发的 PCCAD 二维光子晶体器件设计开发系统由两个相互独立的模块组成 , 采用可视化的结构描述及多线程程序实现技术 , 在其关键算法FDTD 中采用了目前吸收性能最好的边界条件单轴完美匹配层 (UPM L , 输入源的引入采用改进的总场反射场连接边界。在模拟时能实时的对当前电磁场的分布进行显示 , 并且设置了功能强大的参数优化扫描功能 , 能 , 进行扫描 , 得到损耗曲线 , 以进行优化设计。另外 , 可以在计算

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 (FFT 以及 P ade 算法 , 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。

1 PCCAD 系统的结构与设计

图 1为 PCCAD 的总体结构图 , 软件由编辑和仿真分析两个部分组成。编辑部分用来编辑一个二维平板光子晶体结构 ; 模拟部分用来对光 (电磁波在光子晶体里的传播情况进行 FDTD