王本新

摘要：FDTD 数值仿真软件自2003年由加拿大Lumerical Solutions公司研发以来，由于其兼具精准和可信赖的计算结果。近年来，该数值仿真软件不仅得到了广大科研工作者的广泛关注和应用，而且在很多高科技企业内部也得到了普遍认可。然而该数值仿真软件对在校大学生来说是非常陌生的。本文以江南大学理学院光电子技术课程为例，介绍该数值仿真软件在创新教学与理论操作中的应用，本着扩展本专业学生的科研视野，提升学生的综合素质和竞争力为目的开展本项研究工作。

Abstract： FDTD numerical simulation software has been developed by Canada Lumerical Solutions since 2003. Owing of its accurate and reliable calculation results， in recent years， this software has not only been widely concerned and applied by many researchers， but also widely recognized in many high-tech enterprises. However， this software is very strange for college students. Tasking the optoelectronic technology course of Jiangnan University as an example， this paper introduces the application the numerical simulation software in the innovation teaching and theoretical operation， and carries out this research work in the aim of expanding the scientific research field of the students in this major and promoting the comprehensive quality and competitiveness of the students.

关键词：FDTD数值仿真软件；光电子技术；理论实验

Key words： FDTD numerical simulation software；optoelectronic technology；theoretical experiment

中图分类号：O463+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0296-02

0 引言

随着科技的迅猛发展，与光电相关的领域得到了快速的发展，而光电领域的快速发展是建立在各式各样结构模型的基础上发展而来的。可以说，性能良好的理论结构模型是促进光电领域发展的一块基石。然而，如何能较快较准确的获得性能良好的理论结构模型呢？这必然需要各种数值仿真软件的快速发展[1]。目前应用较多的数值仿真软件有COMSOL Multiphysics，HFSS，FDTD等。在这些数值仿真软件中，FDTD 的应用最为广泛，这是由于其具有精准的计算结果、直观的工作界面和易于掌握的操作流程[2]。

FDTD实际上是一款基于时域有限差分法为手段求解光在微纳结构中麦克斯韦方程组的数值仿真软件。该数值仿真软件计算功能强大，不仅可以模拟仿真紫外光、可见光、近红外光、远红外光、太赫兹波乃至微波与具有微纳复杂共振结构的相互作用，而且还可用于分析光与微纳结构相互作用后形成新颖物理特性的共振机理、性能调控等。然而，江南大学理学院光电专业的本科生们对该数值仿真软件非常的陌生，这无法直接对接他们以后的科研和实际工作。为提高本专业学生的综合素质和竞争力，结合本人的实际情况展开本文的研究工作。相信本文对启发学生的创新能力和理论研究水平能有一个较大的提高。

1 FDTD数值仿真软件在教学中的应用现状

2017年9月21日，国家公布了“双一流”高校建设名单，且以后采用滚动的资助方式。在这样的背景下，必然导致各高校之间激烈而残酷的竞争，当然这对各高校、社会和国家的发展都是一件好事。然而，作者认为“双一流”高校的竞争不仅体现在具有著名头衔的教授和丰富的教学资源上，更应该体现在如何启发学生的创新意识和能力上。创新意识和能力的提升可通过各种竞赛来体现。目前很多高校开展了数值仿真软件在教学工作中应用的探索工作[3]-[5]。如合肥工业大学开展了基于天线仿真的设计与教学实践研究。四川大学开展了基于数值仿真软件提取波导S参数的方法研究。江南大学理学院的光电专业在这方面也积累了一定的经验，获得了多项包括省级和国家级的竞赛奖励。然而目前只有少部分的学生受益而没有全面的铺开。

江南大学所在地无锡为长三角经济发展的中心腹地，汇聚了大量与光电相关的企业和研究所，这些潜在的资源为本专业的毕业生们提供了广阔的就业空间和前景。统计数据显示，本专业近80%的毕业生活跃在长三角区域内的光电领域企业内。另据招聘单位反馈，他们着实想招聘一批兼具理论与实验均全面发展的毕业生。结合学院和本人的研究现状，作者认为很有必要全面铺开FDTD数值仿真软件在学生中的受益面，以期提升学生的竞争能力和综合素质，进而为社会培养更多具有创新能力和意识的大学生。

2 FDTD数值仿真软件在理论教学中的应用实践

众所周知，各类光电器件的构造与制作都是一项非常复杂和昂贵的过程，因此在不清楚所设想的光电器件是否可用的情况下，不可能也没必要对每一构思的光电器件进行构造。在器件构造前需要进行大量的数量仿真研究以期获得最优化的物理或共振性能。在获取最优化的共振性能后，方可进行下一步的实验构造与测试工作。因而可以说，对光电器件的性能仿真研究是器件设计的一个必要条件。鉴于FDTD数值仿真软件各方面的优越性能，如强大的数值仿真计算能力、直观的操作界面和易于掌握的操作流程，它广泛应用于光電器件的优化设计方面。近年来，江南大学理学院格外重视学生创新创业能力的培养与实践，为此专门开设了光电子技术课程，在这个课程中系统的介绍光电子技术领域的发展，并将该领域发展的基础工作—数值仿真方面的研究带进了课堂。让学生在掌握光电器件领域发展的同时也能够熟知领域内每一部分工作的理论模型与工作机理，全面提升学生的综合能力。本文以单通道滤波器为例加以说明。

3 单通道滤波器的理论应用实践

单通道滤波器是一种可过滤掉一连续光谱范围内某一个特定波长或共振频率的光电器件。由于该器件具有可纯净过滤掉某一特定波长的能力，因此它在各种工业设计和光电技术领域具有重要的应用前景。然而本专业学生对其共振机理缺乏必要的认知。鉴于此，在课程设计之初便采取手把手的教学方式指导学生参与理论实践工作。从结构设计，模型优化，性能分析和共振机理等多方面介绍单通道滤波器件的理论知识。本文以正方形金属框置于二氧化硅衬底的模型为例探讨分析单通道滤波器的理论框架。图1为单通道滤波器的结构示意图。该结构的尺寸为：l=60μm，w=5μm，衬底二氧化硅的折射率为1.5。该结构的周期为P=100μm。在一连续光波的照射下，该微纳光电器件可实现对A=1.31THz共振频率点的过滤作用，见图2（a）。

根據该过滤频带在图3中的电场分布可知，该滤波器的共振机理来自于正方形金属框的基模共振。另据共振回路模型可知，滤波点处共振频率与金属共振器的尺寸成反比[6]。根据这一共振特点，可预测的是正方形金属框尺寸的扩大（或缩小）可导致A点处滤波频率的减小（或增加），图2（b）显示的结论正好符合理论预测预期。以上是基于正方形金属框实现单通道滤波性能的研究，实际上只要掌握了理论优化模型的设计思路，便可以实现双通道甚至多通道共振滤波器件的优化设计。鉴于论文篇幅的限制，本文不再过多展开。

4 结束语

鉴于光电专业本科毕业生大多在企业从事光电器件研发工作，或进入各高校进一步学习深造。不论是在企业研发部门还是在以后的科研过程中，大都需要接触或使用FDTD数值仿真软件。本文的总体目标是让学生在了解本领域发展前景的同时，熟练掌握该领域光电器件的基本设计思路，弄清各共振器件的物理机理和形成过程。这有助于提升学生的竞争能力和综合素质，进而为社会培养更多具有创新能力和意识的大学生。

参考文献：

[1]邢峰.电磁场数值计算与仿真分析[M].北京：国防工业出版社，2014.

[2]葛德彪，闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[3]汪涛，毛剑波，刘士兴，黄正峰.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理，2012，29（12）：89-93.

[4]韩军，刘长军，闫丽萍，华伟.一种FDTD仿真软件提取波导S参数的方法[J].计算机仿真，2005，22（1）：80-83.

[5]朱华新，郭颖，刘桂林，李帅，孙亚军.Zemax软件在《工程光学》课程中的应用[J].江苏教育学院学报（自然科学），2013，29（6）：26-27.

[6]Ye Y.， Jin Y.， He S. Omni-directional， broadband and polarization-insensitive thin absorber in the terahertz regime [J]. 2010， 27（3）：498-503.