前言

SimWorks Finite Difference Solutions

微纳光电子问题的挑战

微纳光电子学，是研究微米或纳米级别的光学和电子学相互作用的学科，其研究的核心问题是确定微纳结构附近的电磁场行为和辐射特性。

对于简单问题，麦克斯韦方程组可以提供严格的解析解，而对于绝大多数复杂的问题，往往仅存在近似解。随着光电子学与纳米技术的不断发展，微纳米材料和器件的尺度越来越小，面对越来越复杂的结构和材料模型，如何获得微纳光电子问题更精确的求解，是一项巨大的挑战。

在高性能计算技术迅猛发展的浪潮中，利用计算机实现复杂电磁场和工程问题的数值求解成为可能。SimWorks公司适时推出了SimWorks Finite Difference Solutions，以直观的操作界面创建虚拟实验，再现复杂的微纳光电子现象，预测未知的微纳光电子行为，分析并优化复杂的微纳结构，为用户提供专业的、全套的数值求解微纳光电子问题的解决方案。

与解析法相比，数值求解法以更通用的程序处理复杂的电磁学问题，显著降低了研究门槛，极大推动了微纳光电子学的研究和发展。SimWorks Finite Difference Solutions是研究人员处理微纳光电子问题的有力工具。

SimWorks Finite Difference Solutions的特色

SimWorks Finite Difference Solutions是一款集成了求解无源光电子问题算法的软件平台，该软件支持的算法包括：

• 时域有限差分（Finite Difference Time Domain, FDTD）算法，该算法基于时域麦克斯韦方程组，能够求解紫外、可见、红外、太赫兹和微波等绝大多数波段的光学问题，同时适用于微纳尺寸、亚波长结构等复杂结构以及多种复杂材料模型；
• 频域有限差分（Finite Difference Frequency Domain, FDFD）算法，其原理与FDTD算法相似，是基于麦克斯韦方程组有限差分的频域形式，该算法常用于求解波导的S参数、谐振腔的谐振特性以及各向异性材料的散射特性等；
• 本征模有限差分（Finite Difference Eigenmode, FDE）算法，该算法基于有限差分网格，能够精确计算每个格点的电磁矢量模式，是解决大型集成平面光波导、长距离传输器件和各类新型光纤等问题不可或缺的利器。

此外，SimWorks Finite Difference Solutions还具有以下卓越性能：

• 所有算法集成在相同的开发环境中，提供直观的3D CAD建模功能，方便用户快速熟悉软件，有利于建模和问题研究；
• 配备脚本编辑器，内置完整函数库，并支持矩阵操作和自定义函数，极大扩展了软件分析和处理问题的能力；
• 提供分析组功能，轻松实现复杂数据后处理过程的程序化；
• 支持参数扫描和多参数目标优化，有助于对问题的深入研究和优化设计；
• OpenMP/CUDA/MPI等多种并行计算、云计算、以及支持与第三方软件交互，这些技术大大提高大型器件的设计效率；
• 具备导入源、自建结构组与分析组、导入材料数据、自定义函数等开放设置，满足不同用户的多样化需求。

SimWorks Finite Difference Solutions是一款应用领域广泛的软件平台，该软件支持的仿真领域包括但不限于：

• 硅基光电子器件（如光栅、谐振器、分束器、耦合器等）、光波导（或光纤）等微纳光电子领域的研究前沿；
• 表面等离激元、超材料、光子晶体、新型二维材料（如石墨烯）等以光与物质相互作用为核心的研究领域；
• 光学微天线、表面检测、LED/OLED、散射等以远场为核心的研究领域；
• 激光器、光开关等集成光学领域的研究；
• 经典的衍射光学问题；
• 以传输线为代表的微波问题；
• 以太阳能电池（光学仿真部分）为代表的研究领域。

SimWorks Finite Difference Solutions是一款支持联合仿真的开放性的软件平台，该软件支持：

• 和Semiconductor Carriers Solution（研发的一款解决有源光电子问题的软件平台，即将推出）联合仿真；
• 和其他软件联合仿真，通过通用数据格式实现数据的交换。

总之，SimWorks Finite Difference Solutions是一款高性能、高效率、宽领域的微纳光电子仿真设计平台，从分立器件的研究到集成系统的设计，从实验室到工业产品，SimWorks Finite Difference Solutions都是不可替代的。

产品简介

如果对上文提到的一些词汇感到陌生，或者对软件的产品细节和仿真感兴趣，请阅读SimWorks Finite Difference Solutions简介。

怎样使用本手册

用户说明

用户手册详细阐述了软件的使用说明，并对新功能和高级参数设置等内容进行了必要的补充介绍。

文档主体包括五个部分：

• 第一部分 用户界面

  • 用户界面：软件的用户界面介绍和基本操作说明。

• 第二部分 建模

  • 材料：内置材料库的相关说明。
  • 结构：创建结构和结构组的相关说明；

• 第三部分 仿真

  • 求解器：求解器的设置说明；
  • 光源：内置光源和导入光源的相关说明；
  • 监视器：监视器的相关说明；
  • 仿真：仿真控制面板的说明；
  • 模式扩展：端口和FDFP监视器中模式扩展的设置说明。

• 第四部分 高级功能

  • 自定义设置：自定义网格和自定义函数的说明。
  • 资源：软件中计算资源的说明；
  • 后处理：数据的后处理和分析组的相关说明；
  • 优化和扫描：扫描和优化的说明；

• 第五部分 附录

  • 附录：优化算法、物理量和单位，以及脚本函数等信息的汇总。

我们不做什么

尽管本软件在设计、分析微纳光电子器件方面是不可替代的工具，但我们并不直接教授用户如何设计这些器件。

同样地，本用户手册也并非关于器件设计、物理背景和方法论的教材。作为SimWorks Finite Difference Solutions的使用者，用户可以获得软件使用的全部技术支持，但这并不包括对基本的器件设计原理的指导。

此外，SimWorks并非器件加工厂商，因此，本软件不判断和限制器件的设计参数是否满足现有工业加工标准。

如果您在微纳光电子器件设计方面经验尚浅，建议您先研习相关的书籍和文章。

了解更多

产品文档类型

此外，有必要了解产品的各种文档说明，主要包括：

• 用户说明文档：学习软件的技术手册，如本手册；
• 算法背景文档：提供软件的算法理论和基础知识，如时域有限差分求解器；
• 技术分享文档：展示一些问题的处理，如高Q腔场幅值校正；
• 器件应用说明文档：展示典型案例，如线栅偏振器；
• 其他。

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