关于石墨烯空间孤子模型的疑问?


#1

在这个模型中 https://kb.lumerical.com/en/index.html?other_application_spatial_solitons.html
最后有一段话说道:Note: Scaling of χ(3)
The current ‘Kerr nonlinear’ material model uses simple algorithm to incorporate the nonlinear effect P=ε0(χ(1)+χ(3)E2)E. The implementation is primarily designed for, and stable when the condition χ(1)>>χ(3)E2 is met. Using a thin layer of graphene (e.g. 1nm) requires a very large χ(3)E2 to create the spatial soliton because only a small fraction of the modal field is confined in the graphene layer.To make the simulation stable, we use a thicker layer (20nm), which allows us to scale down the size of χ(3)E2 for the same self-focussing effect. In principle, a more sophisticated algorithm (possibly created with a user defined material plugin) could solve this problem without the need to use such a thick layer.
我特地查了一下,文献Related publications
M.L. Nesterov, J. Bravo-Abad, A.Y. Nikitin, F.J. Garcia-Vidal and L. Martin-Moreno, “Graphene supports the propagation of subwavelength optical solitons,” Laser Photonics Rev. Vol. 7 (2), L7–L11 (2013).
里用的参数和模型里用的参数是一样的, χ(3)都是取同样的值,我的问题是:
(1)既然参数是一样的,那为什么还需要Scaling?
(2)如果不需要Scaling的话,那是不是模型中石墨烯的厚度应该和参考文献中一样,取为0.35nm?
(3)这样的话,我按文献中给出的的孤子电场值模拟出来的结果是发散的,不是孤子。请问这是文献的原因,还是模拟的原因?
非常感谢您的耐心回复!


#2

这个是非线性仿真,不能使用2D薄片模型,而直接使用0.35nm的物理厚度需要很细的网格,给仿真带来了很大的挑战,所以经过分析才将它人为变厚的。这就是为什么需要Scaling。
发散的原因有很多,我估计对你的仿真需要考虑
1:大大增加PML的层数,使得PML厚度在半个波长作用;

2:增加Autoshutoffmax

你先测试一下。


#3

好的,谢谢孙老师的回复。另外想问一下如果是0.35nm厚的石墨烯,我选override y mesh dy=0.2nm是否可以?因为之前我选0.1nm的话会发散,改为0.2nm就不发散了。另外我发现模拟的时候那个max time remaining 那里所估计的时间远远大于实际所用的时间,比如估计为45小时,实际只用25小时,请问这种情况正常吗?


#4

一般低精度需要1到3个网格,中等的需要4~6个网格,取决于你的仿真目的。
发散的话你需要找到原因,很可能是PML的问题。
所估计的时间远远大于实际所用的时间是正常的,跟你设置的仿真时间有关,另外也跟器件的谐振特性有关。你可以根据一次仿真的情况修改仿真时间,下次预测的就比较准了,记住一般需要在小于100%结束才能得到正确的频域结果。