怎么计算一根silicon nanowire的光吸收

[junliu16]

大家好，最近在用FDTD做计算，有很多问题，希望大家可以不吝赐教。
首先，我的计算模型就是一根长8um，直径200nm的硅线。我想计算这根硅线在波长400到800nm光照射下，光吸收的变化（也就是想得到light absorption对wavelength的曲线）。但是，FDTD中Analysis下面的Optical power里面有Cross section和Power absorbed这两个模型。然后，我在Lumerical网站上看了这两个介绍，找了很多资料，越看越糊涂。

第一，关于cross section。（1）好像既可以计算absorption又可以计算scattering，但是我用cross section计算时（FDTD文件是Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree.fsp），得到的结果好像是Absorption的曲线，我在建模时没有看到选择是计算absorption还是scattering，是不是默认计算的就是absorption？那么怎么选择成计算scattering？ （2）FDTD软件的Simulation里面选择了Region，然后在出现的FDTD中右键选择编辑时，出现的General下面有dimension，这个里面可以选择2D或者3D，那么，是不是选择2D时cross section计算的就是这跟硅线的一个截面的absorption？选择3D时计算的是整根硅线的absorption？

第二，关于Power absorbed。（1）如果上面说的选择3D时计算的是整根硅线的absorption，那么这种用cross section模型计算得到的absorption和用Power absorbed模型计算的absorption有什么区别吗？

最近对这个计算非常困惑，希望大家能帮助解答，非常感谢！！Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree.fsp (303.5 KB)

[gsun]

Ａ１：分析组是通用的，如果它位于总场区记录的就是吸收，在散射区就是散射；
Ａ２：选择2D时cross section计算的就是这根硅线的一个截面的absorption，而选择3D时计算的是整根硅线的absorption，只要设置合适，比如光源大于监视器体积。
Ａ３：[quote=“junliu16, post:1, topic:6929”]
那么这种用cross section模型计算得到的absorption和用Power absorbed模型计算的absorption有什么区别吗？
[/quote]
Power absorbed以及Power absorbed高级分析组计算的是空间的吸收功率谱，是波长和空间位置的函数；
而cross section计算的是相对吸收率或者散射率，然后再通过运算得到相应的截面：
P = (Px1 + Px2 + Py1 + Py2 + Pz1 + Pz2)*sourcepower(f);

Calculate cross-section

cross_section = P/sourceintensity(f);

请你参见这个中文例子，里面有说明：
https://kb.lumerical.com/cn/index.html?getting_started_particle_scattering.html

另外，你需要使用TFSF光源，参见

平面波和全场散射场tfsf光源有什么区别 －－ 初学者

时域仿真常用的光源类型及典型应用参见这个帖子。 平面波一般适用于周期结构；特殊情况也可以近似应用于散射粒子等非周期情况。 全场散射场TFSF本身也是平面波，即全场区域内光源本身就是平面波，而散射场是减去光源直射部分（包括基地反射）后的散射场。TFSF有时也可以用于周期结构，此时如果计算透射率反射率，监视器必须位于TFSF之内，在外面是散射，将根据TFSF边缘所看到的结构不同散射也不同。实际上，周期结构计算散射一般没有什么实际意义，因为它的远场是光栅衍射，空间分布和频谱分布都不是连续的。 不过，一般情况下，没有特殊原因，请按其主要应用来设置。应该注意，TFSF光源一般不用作仿真透射率反射率，除非是周期物体，而周期物体最好直接用平面波。这是因为，这两种光源的功率都与光源横向尺寸成正比，如果是周期结构，实际用的光源横向尺寸就是周期大小，而非周期结构，入射功率将随光源横向尺寸而变。 由于TFSF使用的是特殊的平面波，光源两边的结构必须完全等同，此外，任何监视器都不能穿过或者位于光源的灰色区域。 [image] [image] 当结构有基底时，一般不用来计算散射截面积，因为基底面积…

以及搜索其他TFSF的帖子学习一些
https://kx.lumerical.com/search?q=TFSF%E3%80%80%E5%85%89%E6%BA%90

一般来说，你仿真的水不可能就那么小体积吧？你也不会考虑水的吸收，否则结果将与TFSF大小有关，因此你就固定税的折射率比较合适（不要有吸收）。参见附件Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree.fsp (264.7 KB)

另外，由于你的纳米线长度有限，因此光源的入射方向可能会影响结果：如果你沿长度方向入射，纳米线是一个谐振腔，结果与沿X或Ｙ轴入射不同。

你先学习一下吧，有问题再问。

[junliu16]

孙老师，
非常感谢您的解答。最近我们的silicon wire的模型又有了修改，我们在silicon的表面镀了一部分银（10nm厚度），可以看一下附件里的模型。
问题是cross section 计算模型的monitor区域是一个长方体，不可避免地会把表面的银包含进去，可是我只想看silicon的吸收，请问有没有什么办法可以只看到silicon wire的吸收？Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree_Shine to Silicon_Monitor Contains Ag.fsp (257.3 KB)

[gsun]

这就要用另外的方法计算吸收，参见太阳能的例子：
https://kb.lumerical.com/en/index.html?solar_cells_simple_silicon_planar.html
或者仅使用Pabs—Adv分析组，我使用后者，见附件（我把最短波长设置为0.7微米是为了快速仿真，并仅监测10个波长）。

上图是不添加和添加窗口后得到的总吸收和Ｓｉ的吸收。

Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree_Shine to Silicon_Monitor Contains Ag.fsp (262.8 KB)

你文件的问题：

1. TFSF沿传播方向的4个棱边看到的情况不同，这是不正确的用法，虽然对你的结果可能没有什么影响。

2.严格说水应扩展到PML的外面；应该使用StretchedPML

3.仿真区不需要很大

4.注意Meshaccuracy１精度很低，你看一下折射率监视器的结果就知道了。

[junliu16]

孙老师，谢谢您的回答。
我们实验的真实情况就是光经过空气，照到水面，Si wire放在一百多微升的水里，然后光穿过水照到水里的Si wire， 您修改后光源被水完全包裹，这样会不会和我们的实际实验情况不同。还有就是，两种模型（“光源在水里面”和“光源在水外面”）的计算结果差别很大，您可以看一下图1和图2

您知道为什么吗？

[junliu16]

孙老师，不好意思呀，我的问题有点多。
您改用Pabs_Adv分析组计算得到了上图中曲线的结果。我把您修改后的模型计算后，右键pabs_adv，出现Visualize,里面有Pabs，Pabs_total选项，如果看Pabs,得到的是color map的结果，

如果看Pab_total,得到的是一条和您给的图中total曲线类似的曲线，但是值不一样，

所以，能问下，您给的包含total和si两条曲线的结果图是怎么在FDTD中显示出来的？？因为我一直以为用Pabs和Pabs_Adv这两个分析组。得到的结果都只是那种color map类的图。

[gsun]

您修改后光源被水完全包裹，这样会不会和我们的实际实验情况不同。

关键是你们实验测量是不是将水的反射给归化掉了。如果是，就应该将整个仿真区放在水里。也就是你们实验是怎么计算实际入射功率的？

你的结果有很大差异，可能设置方面还需要检查，我用一个简单例子测试，两者有少许差别

mie_theory_2d (1).fsp (252.5 KB)

形状不变，只是考虑空气-水界面时，由于水的反射，实际注入到水里面的功率变小，因此吸收也相对小了。

感觉你的结果长波长精度差，不知道你是怎么设置网格和仿真区的。

你不能仅看结果，要看Pabs，Pabs_total是怎么算处理的。前者是空间吸收功率谱，与空间位置有关，是空间和波长的函数；后者是吸收率，仅是波长的函数。

[junliu16]

上图是不添加和添加窗口后得到的总吸收和Ｓｉ的吸收。

孙老师，您好，谢谢您的解答。我说用Pabs_Adv分析组得到的结果，如果看Pabs是color map的结果，其实我是对您这句话“上图是不添加和添加窗口后得到的总吸收和Ｓｉ的吸收。”不明白，我初学FDTD,所以我可能没太明白这句话具体是怎么操作的。也就是我还是不太懂什么是 添加窗口就得到了Si的吸收？换句话说，我不太懂您那张结果图是怎么做出来的？

[junliu16]

感觉你的结果长波长精度差，不知道你是怎么设置网格和仿真区的。

孙老师，对不起。您说的对。我仔细检查了一遍，重新算了一边，发现 两种模型（“光源在水里面”和“光源在水外面”），结果的曲线走势应该是一样的，只是峰的高度不一样。

[gsun]

上图是不添加和添加窗口后得到的总吸收和Ｓｉ的吸收。

这是我的原话，不添加窗口得到的是总的吸收，含Si和Ag。添加窗口后仅计算Si的吸收。你把脚本详细阅读一下看看有什么差别。
因为监视器没有办法仅记录圆柱物体的场，所以需要先记录整体的场，然后添加窗口再计算窗口内的吸收。

[junliu16]

也就是我还是不太懂什么是 添加窗口就得到了S

其实，我是不知道怎么添加这个窗口，然后得到这个窗口内的吸收？这个具体是怎么做的呀？

[gsun]

文件在第二次回帖里面：Cylinder Wires 3D_DI200nm_0degree_Shine to Silicon_Monitor Contains Ag.fsp3
里面分析组有：
W=meshgrid4d(4,x,y,z,f2pi);
wd=(real(eps_x)>0);窗口函数，因为Ｓｉ的eps_x)>0

calculate spatial absorption from each field component separately

Pabs_x = 0.5eps0W*(abs(Ex)^2imag(eps_x))wd;
Pabs_y = 0.5eps0W*(abs(Ey)^2imag(eps_y))wd;
Pabs_z = 0.5eps0W*(abs(Ez)^2*imag(eps_z))*wd;

你需要阅读分析组中的脚本。如果只想运行就得到结果而不知道是怎么计算的，以后有问题仍然不知道如何解决。
请下载那个文件仔细阅读分析组里面的脚本，力求搞清楚每句话的意思。

[junliu16]

W=meshgrid4d(4,x,y,z,f2pi);
wd=(real(eps_x)>0);窗口函数，因为Ｓｉ的eps_x)>0

孙老手，您好，谢谢您的解答。我之前仔细看过您给的文件，也用您的文件计算了一遍，上面我给的两幅图就是用您的文件得到的结果。[quote=“junliu16, post:6, topic:6929”]
我把您修改后的模型计算后，右键pabs_adv，出现Visualize,里面有Pabs，Pabs_total选项，如果看Pabs,得到的是color map的结果，
[/quote]
因为我刚接触FDTD，脚本也看不太明白。所以当时不清楚计算结果列表里的 wd 就是您添加的仅计算Si吸收的窗口。
但是我通过Visualize看 wd 的结果，得到是一条直线，我没有改您文件的任何参数，是不是我看wd 计算结果方法不对？

[gsun]

你还需要学习如何用Visualizer

Visualizer 输出E, Re, -Re, Abs, Abs^2 是什么区别？如何输出？ FDTD 初学者

这个是在visualizer里查看结果是才出现的，见下图： [image] 为了方便大家，我把每一栏都介绍一下 Attributes的各列： Data set是监视器名字和选择要查看的量，上图中是要查看监视器T中的Dataset电场E Attribute：要查看的量，电场E，这里是指名字为E的Dataset中的电场E，即E.E，前面的E是Dataset名，后一个E是电场 vector operation：仅对矢量有效，即rectilineardataset中的量，一般有XYZ分量： [image] 其中，Magnitude是矢量的绝对值，对电场E，即sqrt(abs(Ex)^2+abs(Ey)^2+abs(Ez)^2) 选X、Y、Z就是选择其中一个分量，对电场E，分别就是Ex、Ey、Ez。注意频域监视器的结果这些量都是复数，有实部和虚部 scalar operation： Re选择实部； -Re选择实部并取负数。这个对透射率监视器有用，参见这个帖子。 Im 是选择虚部 Abs就是取绝对值，例如abs(Ex)就是Ex的绝对值 Abs^2就是一个量的绝对值平方，…