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SimWorks、 Lumerical和Tidy3D这三款主流FDTD工具它们的计算结果究竟差多少 本文以同一款器件为载具给出可量化的对比数据。前言在硅基光电子集成回路中定向耦合器是最基础、应用最广泛的无源器件之一它利用两根平行波导之间的倏逝波耦合效应在不中断主信号传输的前提下按设计比例、有方向性地提取或分配光功率。该器件不仅是实现片上光功率精确分束、信号监测和反馈控制的核心单元更是构成马赫-曾德尔干涉仪、微环谐振器等更大规模功能器件的基本构建模块。分光比的仿真精度直接决定了芯片插损、串扰和信号完整性等关键指标。因此选择一款可靠的FDTD仿真工具是每一位硅光设计者的必修课。在光电子仿真领域中SimWorks、Lumerical与Tidy3D在网格剖分、材料界面处理及共形技术等底层算法上各具特色那么问题来了同一个器件三款软件算出的结果到底差多少哪个更可信本文就以文献中的定向耦合器为标准测试例通过合理的控制变量证明三款软件在关键性能指标上高度吻合。一、仿真模型与统一设置1.1 器件结构参数本文复现了Liu等人在第3.1节中的定向耦合器波导尺寸硅波导宽度 500 高度 220 耦合区域长度 20μm两波导间隙 236 包层上下均为二氧化硅端口定义Port 1 输入端Port 3 耦合输出端Port 4 直通端额外延长每个端口向外延伸 10μm直波导确保模式充分建立。1.2 统一仿真参数为保障对比的严谨性以下参数在三款软件中按照论文设置统一设定。参数项设置值入射模式TE基模中心波长1550 nm带宽20 nm / 50 nm分两组对比仿真区域42 × 7 × 4 μm³边界条件PML完全匹配层自动关闭阈值1e-5材料模型SimWorks与LumericalSi-Palik(sampled data) / Tidy3Dpoleresidue model下图给出了三款软件的3D视图。二、默认设置下的首次对比本文首先完全遵照论文原始设置——色散材料、半自动非均匀网格每波长15个网格并开启各软件默认的共形网格处理。结果如下图所示透过率随波长单调递增趋势一致但数值存在差异。原因刨析虽然三款软件都设置了“每波长15个网格”但Tidy3D 以中心波长计算网格尺寸而 SimWorks 和 Lumerical 以带宽内的最短波长为准。带宽变化时后者网格密度随之改变导致结果出现可观测的差异。三、在材料边界采用阶梯近似方法为了排除材料色散模型和网格尺寸不一致带来的干扰本文进行了一组严格的控制参数实验将材料设为恒定折射率硅 3.47647二氧化硅 1.44568三款软件统一使用均匀网格步长固定为 0.02972 μm对应硅中每波长15个网格关闭多频点计算其余设置光源、监视器、PML完全相同。3.1 阶梯近似Staircase模式首先采用最基础的阶梯型网格即介质边界完全由 Yee 网格的阶梯近似表示不引入任何共形优化。结果三款软件在耦合端透过率的偏差小于 0.2%。3.2 各自默认的共形网格偏振亚像素平均随后本文切换到三款软件的默认边界处理方式均为基于电场法向的偏振亚像素平均SimWorksConformal variant VP-EP 0子单元数 N5Lumericalconformal variant 0Tidy3DPolarizedAveraging结果Lumerical 与 Tidy3D 的透过率非常接近差距 0.29%而 SimWorks 结果比前两者低约 2%。这个差距与本文之前的推断一致-SimWorks默认子单元数过少导致边界拟合精度不足尤其对于定向耦合器这种对间隙宽度极度敏感的结构缝隙处等效介电常数计算偏差被放大耦合效率随之下降。3.3 提升 SimWorks 子单元数结果完美对齐在 SimWorks 中可以手动提高网格细化子单元数 N二维为 N×N三维为 N×N×N。本文将 N 从默认的 5 逐步提升至 35。结果当 N35 时SimWorks 与 Tidy3D 的最大偏差仅 0.102%与 Lumerical 也基本重合。这说明两点SimWorks 的求解器内核同样精确只是默认参数偏保守对于高精度需求如窄间隙耦合器用户应适当提高子单元数以换取更准确的边界场计算。四、结论与工程建议通过这套系统性的对比实验可以得出以下清晰结论对比维度结论基础算法等效性在相同网格和边界处理下三款软件结果偏差 0.2%求解器内核可信参数调优可行性SimWorks 可通过提高子单元数如 N35完美匹配其他软件精度带宽影响注意各软件对“每波长网格数”的波长定义不同建议统一指定绝对网格步长工程建议若使用SimWorks进行高精度耦合器仿真请检查并适当提高网格细化子单元数建议从 15~20 开始尝试视计算资源调整无论使用哪款软件建议先用均匀网格和恒定折射率材料做交叉验证确认基础设置无误后再开启色散和自适应网格。写在最后如果您在硅光设计或仿真工具选型中遇到任何问题欢迎在评论区交流讨论。我们作为专业的光电子仿真解决方案提供商将持续为您带来深度、客观的技术解析。参考文献[1] Z. Liu and J. K. S. Poon, “Comparison of Lumerical FDTD and Tidy3D for three-dimensional FDTD simulations of passive silicon photonic components,”Opt. Continuum, 4(10), 2427-2451 (2025). 定向耦合器FDTD仿真三强对决：SimWorks、Lumerical与Tidy3D结果深度对比
SimWorks、 Lumerical和Tidy3D这三款主流FDTD工具它们的计算结果究竟差多少 本文以同一款器件为载具给出可量化的对比数据。前言在硅基光电子集成回路中定向耦合器是最基础、应用最广泛的无源器件之一它利用两根平行波导之间的倏逝波耦合效应在不中断主信号传输的前提下按设计比例、有方向性地提取或分配光功率。该器件不仅是实现片上光功率精确分束、信号监测和反馈控制的核心单元更是构成马赫-曾德尔干涉仪、微环谐振器等更大规模功能器件的基本构建模块。分光比的仿真精度直接决定了芯片插损、串扰和信号完整性等关键指标。因此选择一款可靠的FDTD仿真工具是每一位硅光设计者的必修课。在光电子仿真领域中SimWorks、Lumerical与Tidy3D在网格剖分、材料界面处理及共形技术等底层算法上各具特色那么问题来了同一个器件三款软件算出的结果到底差多少哪个更可信本文就以文献中的定向耦合器为标准测试例通过合理的控制变量证明三款软件在关键性能指标上高度吻合。一、仿真模型与统一设置1.1 器件结构参数本文复现了Liu等人在第3.1节中的定向耦合器波导尺寸硅波导宽度 500 高度 220 耦合区域长度 20μm两波导间隙 236 包层上下均为二氧化硅端口定义Port 1 输入端Port 3 耦合输出端Port 4 直通端额外延长每个端口向外延伸 10μm直波导确保模式充分建立。1.2 统一仿真参数为保障对比的严谨性以下参数在三款软件中按照论文设置统一设定。参数项设置值入射模式TE基模中心波长1550 nm带宽20 nm / 50 nm分两组对比仿真区域42 × 7 × 4 μm³边界条件PML完全匹配层自动关闭阈值1e-5材料模型SimWorks与LumericalSi-Palik(sampled data) / Tidy3Dpoleresidue model下图给出了三款软件的3D视图。二、默认设置下的首次对比本文首先完全遵照论文原始设置——色散材料、半自动非均匀网格每波长15个网格并开启各软件默认的共形网格处理。结果如下图所示透过率随波长单调递增趋势一致但数值存在差异。原因刨析虽然三款软件都设置了“每波长15个网格”但Tidy3D 以中心波长计算网格尺寸而 SimWorks 和 Lumerical 以带宽内的最短波长为准。带宽变化时后者网格密度随之改变导致结果出现可观测的差异。三、在材料边界采用阶梯近似方法为了排除材料色散模型和网格尺寸不一致带来的干扰本文进行了一组严格的控制参数实验将材料设为恒定折射率硅 3.47647二氧化硅 1.44568三款软件统一使用均匀网格步长固定为 0.02972 μm对应硅中每波长15个网格关闭多频点计算其余设置光源、监视器、PML完全相同。3.1 阶梯近似Staircase模式首先采用最基础的阶梯型网格即介质边界完全由 Yee 网格的阶梯近似表示不引入任何共形优化。结果三款软件在耦合端透过率的偏差小于 0.2%。3.2 各自默认的共形网格偏振亚像素平均随后本文切换到三款软件的默认边界处理方式均为基于电场法向的偏振亚像素平均SimWorksConformal variant VP-EP 0子单元数 N5Lumericalconformal variant 0Tidy3DPolarizedAveraging结果Lumerical 与 Tidy3D 的透过率非常接近差距 0.29%而 SimWorks 结果比前两者低约 2%。这个差距与本文之前的推断一致-SimWorks默认子单元数过少导致边界拟合精度不足尤其对于定向耦合器这种对间隙宽度极度敏感的结构缝隙处等效介电常数计算偏差被放大耦合效率随之下降。3.3 提升 SimWorks 子单元数结果完美对齐在 SimWorks 中可以手动提高网格细化子单元数 N二维为 N×N三维为 N×N×N。本文将 N 从默认的 5 逐步提升至 35。结果当 N35 时SimWorks 与 Tidy3D 的最大偏差仅 0.102%与 Lumerical 也基本重合。这说明两点SimWorks 的求解器内核同样精确只是默认参数偏保守对于高精度需求如窄间隙耦合器用户应适当提高子单元数以换取更准确的边界场计算。四、结论与工程建议通过这套系统性的对比实验可以得出以下清晰结论对比维度结论基础算法等效性在相同网格和边界处理下三款软件结果偏差 0.2%求解器内核可信参数调优可行性SimWorks 可通过提高子单元数如 N35完美匹配其他软件精度带宽影响注意各软件对“每波长网格数”的波长定义不同建议统一指定绝对网格步长工程建议若使用SimWorks进行高精度耦合器仿真请检查并适当提高网格细化子单元数建议从 15~20 开始尝试视计算资源调整无论使用哪款软件建议先用均匀网格和恒定折射率材料做交叉验证确认基础设置无误后再开启色散和自适应网格。写在最后如果您在硅光设计或仿真工具选型中遇到任何问题欢迎在评论区交流讨论。我们作为专业的光电子仿真解决方案提供商将持续为您带来深度、客观的技术解析。参考文献[1] Z. Liu and J. K. S. Poon, “Comparison of Lumerical FDTD and Tidy3D for three-dimensional FDTD simulations of passive silicon photonic components,”Opt. Continuum, 4(10), 2427-2451 (2025).