本系列主要講解如何利用lumerical公司的FDTD軟件仿真拓撲光子絕緣體的能帶結構。主要包括以下幾方面的內容：

1）前言

2）光子晶體結構分析

3）能帶結構仿真與軟件設置

4）邊緣態仿真與軟件設置

5）抗散射仿真與軟件設置

6）單向仿真與軟件設置

7）其它仿真

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1、?仿真目標

本系列的仿真工作是基于文獻[1]，采用石墨烯型光子晶體構成拓撲界面，如下圖所示紅色和藍色界面處。當圓極化電偶激子光源位于拓撲界面附近時，不同極化方向的光將向左或者右傳播，出現單向傳播的現象，如下圖所示。本文目標是講解如何進行這種單向傳播的仿真。

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2、仿真整體流程和各部分解釋

仿真采用FDTD2019版本，相應的程序已經上傳到GitHub[2]。仿真過程中包含一個工程文件，工程界面如圖所示。工程界面中包含器件幾何結構、光源、仿真區域，場強監視器等幾部分。

1）器件幾何結構部分解釋

利用手動和參數化設置幾何體和光子晶體仿真結構。設置過程簡單，無特殊注意的地方。

2）光源部分解釋

仿真過程中需要圓極化電偶激子光源，本文利用兩個電偶激子光源來構成，一個水平x放置（初相為0），一個豎直y放置（初相為90或者-90，決定左旋h或右旋圓極化），并將光源整體放置在拓撲界面處。下圖中①設置初相，②設置光源水平或者豎直放置。

設置仿真波長，通過本系列第五節的透射譜，可知該拓撲界面波導可以傳播1.432μm波長的光。此處也可以設置為其它可以傳播的光波長。

3）仿真區域和監視器部分解釋

仿真區域設置簡單，合理即可。設置仿真時間（本文為150fs），設置網格尺寸，設置邊界條件等（微波頻段仿真時，仿真時間、網格尺寸都要相應增大很多）。設置監視器在光子晶體層中間位置。

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3、仿真結果

點擊run開始仿真，仿真完成后，右鍵查看監視器monitor_mid的電場E分布。打開后會發現沒有傳播的電場分布，如下面上圖所示，原因是calor bar設置不合適。于是，點擊下圖中①位置，然后在②處調整數值的范圍（本文是0-10），然后可以清楚的看到單向傳播的電場分布。

文獻中的單向傳播電場分布圖如下圖

通過設置sy光源的初相為90或者-90，得到本文仿真結果如下圖，可以看到左右單向傳播的電場分布圖。

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4、補充說明

本文的拓撲界面是基于能谷自由度的，本文采用了兩個電偶激子垂直放置，然后得到了單向傳播的結果。但其它很多文獻中的拓撲結構，不是基于能谷自由度的，故該光源的設置方法可以試一試，但不一定能得到單向傳播的結果。文獻[3]中利用4個電偶激子，初始相位依次相差π/2，得到了單向傳播的結果，也可以試一試，結構如下圖a所示。

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參考文獻

[1]?HE, Xin-Tao, et al. A silicon-on-insulator slab fortopological valley transport.?Nature communications, 2019, 10.1: 872.

[2]https://github.com/AAAAA521/Topological-photon-simulation

[3]Yang, Yuting, et al. "Visualization of a unidirectionalelectromagnetic waveguide using topological photonic crystals made ofdielectric materials." Physical review letters 120.21 (2018): 217401.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的利用FDTD软件仿真拓扑光子（六）-单向传播仿真与软件设置的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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