Wsf(FDTD),Wsr(RCWA),Wsb(BPM)の比較計算
配布zip内のフォルダ\Ws_soft\Samples\Comparisonの中のデータに基づき下記の比較計算を行なう。
SiO2/Airの境界面に入射する光の反射率を入射角をパラメータにして比較計算する。いわゆるフレネル反射の角度依存性の問題である。
P偏光での計算結果を比較。Wsb,Wsf,Wsrともほぼ一致する。Wsfに関して35度付近で浮き上がりが発生するのは反射光と光源の干渉の影響（この影響を極小化するため入射光をパルスにして計算）。Wsb,Wsfに関して45-50度付近に丸みが発生するにはビーム径の小さいことで入射光に発散角成分が含まれるため。
演算時間と消費メモリを比較。
SiO2/Air/SiO2のギャップ構造に45度入射するP偏光の光の透過率をギャップ厚をパラメータにして比較計算する。上面側のSiO2からAir側に入射する光のエバネッセント成分が下面側のSiO2にどれだけ吸い取られるかというトンネル効果の問題である。
Wsf,Wsrはガウス曲線に沿った減衰、Wsbは指数関数的減衰という違いはあるが、いずれもエバネセントによるトンネル効果を表現できている。
演算時間と消費メモリを比較。
SiO2の矩形断面格子構造に垂直入射するP偏光の光の反射率を格子深さをパラメータにして比較計算する。
反射率を極小にする深さはWsb,Wsf,Wsrともほぼ一致する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。
上の計算で反射成分だけを抽出する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。
上の計算で反射成分だけを抽出する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。Wsbは水平方向(z軸直交面方向)に伝搬する光を扱えないので、水平方向に伝搬する反射光は現れない。
Wsf(FDTD)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsr(RCWA)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsf(FDTD)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsr(RCWA)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。干渉設定(ity=1)にしているので、入射光と反射光による干渉縞は正しく計算される。比較として、上の図は非干渉設定(ity=0)で計算しており、入射光と反射光は強度和で処理され干渉縞は現れない。
Wsemsでのity=0,1の設定画面
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
Wsb(BPM)で計算する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
演算対象
Wsf(FDTD),Wsb(BPM),Wsr(RCWA)とも同じ対象を演算できる。
演算速度
Wsfを基準にするとWsbは100~300倍、Wsrは1~10倍速い。
メモリ消費
Wsfを基準にするとWsbは1/10~1/300倍(2次元計算では1~1/10)、Wsrは1~10倍のメモリが必要。
フレネル反射の角度依存性
SiO2/Airの境界面に入射する光の反射率を入射角をパラメータにして比較計算する。いわゆるフレネル反射の角度依存性の問題である。 P偏光での計算結果を比較。Wsb,Wsf,Wsrともほぼ一致する。Wsfに関して35度付近で浮き上がりが発生するのは反射光と光源の干渉の影響（この影響を極小化するため入射光をパルスにして計算）。Wsb,Wsfに関して45-50度付近に丸みが発生するにはビーム径の小さいことで入射光に発散角成分が含まれるため。
演算時間と消費メモリを比較。| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_1.dat | 1.2 s * 60 | 0.04 GB |
| wsf_1.dat | 78 s * 60 | 0.06 GB |
| wsr_1.dat | 7.1 s * 60 | 0.20 GB |
エバネセントによるトンネル効果
SiO2/Air/SiO2のギャップ構造に45度入射するP偏光の光の透過率をギャップ厚をパラメータにして比較計算する。上面側のSiO2からAir側に入射する光のエバネッセント成分が下面側のSiO2にどれだけ吸い取られるかというトンネル効果の問題である。
Wsf,Wsrはガウス曲線に沿った減衰、Wsbは指数関数的減衰という違いはあるが、いずれもエバネセントによるトンネル効果を表現できている。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_2.dat | 2.0 s * 50 | 0.04 GB |
| wsf_2.dat | 397 s * 50 | 0.02 GB |
| wsr_2.dat | 12.1 s * 50 | 0.37 GB |
反射防止構造による反射率特性
SiO2の矩形断面格子構造に垂直入射するP偏光の光の反射率を格子深さをパラメータにして比較計算する。
反射率を極小にする深さはWsb,Wsf,Wsrともほぼ一致する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_3.dat | 0.9 s * 50 | 0.01 GB |
| wsf_3.dat | 24 s * 50 | 0.06 GB |
| wsr_3.dat | 0.9 s * 50 | 0.02 GB |
15度傾斜の透過面による反射、屈折
SiO2/Airの15度傾斜面に入射するP偏光の光の反射、屈折を計算する。 Wsb(BPM)で計算する。
上の計算で反射成分だけを抽出する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_4.dat | 3.7 s | 0.03 GB |
| wsf_4.dat | 66 s | 0.07 GB |
| wsr_4.dat | 133 s | 4.06 GB |
30度傾斜の透過面による反射、屈折
SiO2/Airの30度傾斜面に入射するP偏光の光の反射、屈折を計算する。 Wsb(BPM)で計算する。
上の計算で反射成分だけを抽出する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_5.dat | 4.3 s | 0.04 GB |
| wsf_5.dat | 144 s | 0.11 GB |
| wsr_5.dat | 141 s | 4.06 GB |
45度傾斜の透過面による反射、屈折
SiO2/Airの45度傾斜面に入射するP偏光の光の反射、屈折を計算する。 Wsb(BPM)で計算する。Wsbは水平方向(z軸直交面方向)に伝搬する光を扱えないので、水平方向に伝搬する反射光は現れない。
Wsf(FDTD)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsr(RCWA)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_6.dat | 8.3 s | 0.07 GB |
| wsf_6.dat | 416 s | 0.25 GB |
| wsr_6.dat | 182 s | 4.38 GB |
60度傾斜の透過面による反射、屈折
SiO2/Airの60度傾斜面に入射するP偏光の光の反射、屈折を計算する。 Wsb(BPM)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsf(FDTD)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
Wsr(RCWA)で計算する。反射光は現れるが、反射面が階段状なので一部散乱する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_7.dat | 11.2 s | 0.11 GB |
| wsf_7.dat | 798 s | 0.39 GB |
| wsr_7.dat | 248 s | 5.23 GB |
エバネセントによるトンネル効果と多重反射
Al表面とSiO2/Air/SiO2のギャップ構造面の間で45度反射を繰り返す計算をする。
Wsb(BPM)で計算する。干渉設定(ity=1)にしているので、入射光と反射光による干渉縞は正しく計算される。比較として、上の図は非干渉設定(ity=0)で計算しており、入射光と反射光は強度和で処理され干渉縞は現れない。
Wsemsでのity=0,1の設定画面
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_8.dat | 5.1 s | 0.07 GB |
| wsf_8.dat | 1229 s | 2.59 GB |
| wsr_8.dat | 155 s | 1.39 GB |
材料の分割検出の比較計算
SiO2中に配置されたレンズ下の棒状Si材を上下に分け、P偏光の光の入射角をパラメータに上半分のSi材での上下境界面透過光量と吸収光量を計算比較する。ただし、この計算は空気以外に３種類以上の材料指定をしているので購入が必要である。 (制限条件参照)
Wsb(BPM)で計算する。
Wsf(FDTD)で計算する。
Wsr(RCWA)で計算する。
演算時間と消費メモリを比較。
| 2次元計算データ | 演算時間 | 消費メモリ |
|---|---|---|
| wsb_9.dat | 2.0 s * 40 | 0.19 GB |
| wsf_9.dat | 510 s * 40 | 1.07 GB |
| wsr_9.dat | 198 s * 40 | 5.01 GB |
シミュレータ比較
演算対象Wsf(FDTD),Wsb(BPM),Wsr(RCWA)とも同じ対象を演算できる。
演算速度Wsfを基準にするとWsbは100~300倍、Wsrは1~10倍速い。
メモリ消費Wsfを基準にするとWsbは1/10~1/300倍(2次元計算では1~1/10)、Wsrは1~10倍のメモリが必要。