利用FDTD软件仿真拓扑光子（五）-抗散射仿真与软件设置

本系列主要讲解如何利用lumerical公司的FDTD软件仿真拓扑光子绝缘体的能带结构。主要包括以下几方面的内容：

1）前言

2）光子晶体结构分析

3）能带结构仿真与软件设置

4）边缘态仿真与软件设置

5）抗散射仿真与软件设置

6）单向仿真与软件设置

7）其它仿真

1、仿真目标

本系列的仿真工作是基于文献[1]，采用石墨烯型光子晶体构成拓扑界面，下图左红色和蓝色界面处所示。拓扑光子一个很重要的特性是抗散射传输，即光可以沿着锐角传播而不散射掉。文献[1]中仿真了三种不同形状的拓扑波导（直线型、Z字型，Ω字型）（下图中），及其透射谱（下图右），本文只仿真Ω字型拓扑波导和透射谱，余下两种波导仿真方法类似。

2、仿真整体流程和各部分解释

仿真采用FDTD2019版本，相应的程序已经上传到GitHub[2]。仿真过程中包含一个工程文件，工程界面如图所示。工程界面中包含器件几何结构、光源、仿真区域，场强监视器等几部分。

1）器件几何结构部分解释

利用手动和参数化设置几何体和光子晶体仿真结构，如下图。本次仿真的难点在于如何把这个复杂的结构画出来，在工程树下可以看出来用了很多子光子晶体来拼凑这个复杂的结构。仿真过程中，光从左边波导入射，然后进入拓扑波导，最后进入右边波导。

2）光源部分解释

本文采用ModeSource光源，也可以尝试其他光源（除去线偏振光源），①中设置仿真光源波长范围1.3μm-1.6μm（来自文献[1]）。

3）仿真区域和监视器部分解释

仿真区域设置简单，合理即可。设置仿真时间（本文为2000fs），设置网格尺寸，设置边界条件等。场分布监视器monitor_mid设置在光子晶体层中间位置，透射率和反射率监视器T、R设置在出射和入射波导处。

3、仿真结果

点击run开始仿真，仿真完成后（仿真时间约1小时），右键查看监视器monitor_mid的电场E分布。点击图中①设置色标范围（本文0-4），③处选择Abs^2，增大对比度，④处选择观察不同波长电场分布（本文1.6μm、1.43μm、1.3μm）。可以看出1.6μm和1.3μm均散射掉（无法穿过光子晶体），1.43μm沿着Ω波导传播。

Ω型拓扑波导抗散射和透射谱比较：文献中电场分布图和透射谱（红线）如下图上所示，本文仿真如下图下所示。仿真波长1.43μm，文献中和仿真结果中透射谱纵坐标标度不一样。透射谱图中在①处设置纵坐标为对数显示。右键查看T监视器的“T”出现透射谱窗口。

参考文献

[1]HE, Xin-Tao, et al. A silicon-on-insulatorslab for topological valley transport. Nature communications,2019, 10.1: 872.

[2]https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/AAAAA521/Topological-photon-simulation

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