frequency-domain field profile Monitor에 관한 질문입니다.

fdtd

#1

안녕하세요. lumerical user입니다.
frequency-domain field profile Monitor 에서의 질문이 있습니다.

monitor.fsp (1.2 MB)

위 파일처럼 frequency-domain field profile Monitor 를 이용하여 electric field를 보시면요
일단 air상태에서 frequency-domain field profile Monitor가 어떤식으로 표현되는지 해봤는데요,
이 frequency-domain field profile Monitor의 visualize > E 에서 plot type가 surface와 vector가 있는데,
surface(plot type)에서 frequency에 따른 E의 magnitude가 1 근처이지만 미세하게 변하는것을 확인하였고,
vector(plot type)에서는 frequency에 따른 vector의 크기와 방향이 +1부터 -1까지 oscillation 하는것처럼 보이는데요.
(대략 vector의 주기는 2THz 정도 되어 보입니다.)

(참고로, 제가 하려는 시뮬레이션은 한물체의 투과시뮬레이션에서 각 frequency별로 electric field의 vector를 비교하려고합니다. electric field vector가 각 frequency별로 크기, 방향 모두 비교하려고합니다. )

먼저, surface(plot type)은 크기가 1로 normalized 된 것인가요? 아니면 어떤 정보에서 얻어지는 값인가요?
그리고 vector(plot type)에서 frequency에 따라 변하는데 이것은 어떤 정보로부터 이렇게 데이터가 나오는것인가요?
그리고 vector에서 각각의 frequency별로 비교하도록 normalize 하려고하는데 어떻게 하면 될까요?

그리고 마지막으로 이 monitor에서 H-field로부터 계산하여 K 값인 surface current도 보고있는데요,(파일에는 없음)
Ky = real(Hx_air-Hx_sub);
Kx = real(Hy_air-Hy_sub);
위 식으로부터 얻은 K vector역시 H-field로 계산을 하였는데요,
H-field의 vector도 역시 공기중에서 +,-로 oscillation하는것처럼 보입니다. 이것도 각 frequency별로 크기와 방향이 비교가 가능하도록 normalization이 안된것같습니다. 이 K vector를 각 frequency별로 비교가능하도록 normalization하는 방법이 있을까요?


#2

안녕하세요.

첨부하신 시뮬레이션 파일은 CW normalization 이 되어 있는 상태입니다. 따라서, free space 에서의 transmission 은 전파장대에서 ‘1’ 이 되어야 합니다. 하지만, 실제 시뮬레이션을 해보면 다음과 같이 파장에 따라 일정한 값을 갖지 않고 조금의 변화를 보일 수 있는데, 이는 시뮬레이션이 가지는 오차에 해당하는 것입니다. 예상값과 시뮬레이션값을 비교해보면 시뮬레이션값이 +/- 0.003 % 의 오차를 가지는 것으로 실제 실험을 통해 얻는 값의 오차범위가 어느정도 인지 알수없지만 그보다 훨씬 작은 값일 가능성이 높다고 생각합니다. 따라서, 이정도의 오차는 무시를 하고 transmission 값이 거의 일정하다고 보아도 될 듯 합니다. 결국 모든 field 성분의 크기가 frequency 에 관계없이 동일하다고 보아도 무관하다고 하겠습니다.

Frequency monitor normalization 은 다음의 페이지를 참고하시기 바랍니다.
https://kb.lumerical.com/en/index.html?solvers_fdtd_frequency_domain_normalization.html

시뮬레이션을 통해 기대할 수 있는 수준의 정확도가 얼마나 되는 지는 아래 페이지를 참고하여, 철저한 convergence test 를 거쳐서 확인을 할 수가 있습니다.
https://kb.lumerical.com/en/index.html?layout_analysis_test_convergence_fdtd.html


#3

답변감사합니다.

그런데 제가 궁금한것은,
field profile monitor 에서의 visualize > E 에서 vector가 oscillation하는것 같아 보여서,
이것의 크기를 각 frequency별로 비교가능하도록 normalization 해서 보려고합니다.
결국, electric field 의 vector를 비교하려고 하는것입니다.


#4

Planewave 는 진행하면서 phase 가 바뀌게 됩니다. 만약, 공간상의 특정면에서 electric field 의 vector plot 을 보면 파장이 다른 빛의 경우에는 그 면상에서의 phase 가 달라지게 됩니다. 따라서, frequency (또는 wavelength) 에 따른 한 지점에서의 electric field 의 phase 가 -180 에서 180 도 사이를 오가며 진동하는 것처럼 보이는 것은 당연한 결과이며, 어떤 normalization 의 문제가 아니라고 할 수 있습니다.

예를 들어, x-polarized 된 planewave 가 y 방향으로 진행하는 경우 xy 면상에서의 field 를 surface plot 과 vector plot 으로 보면 다음과 같은 결과를 얻게 됩니다.

Vector plot 은 field 의 real 값을 바탕으로 만들어지는데, surface plot 의 real(Ex) 와 비교를 해보면 그 특성이 일치하는 것을 볼 수 있습니다. Source 의 파장이 달라질 때, 특정 y 지점에서의 vector 값을 비교해 보면, 그 지점에 따라서 vector 의 크기가 서로 다르고, 방향도 바뀌는 것을 확인할 수 있습니다.