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。

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？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 μm，高度 220 μm；

• 耦合区域：长度 20 μm，两波导间隙 236 μm；

• 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 10 μm 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。

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%。

这说明在最底层算法上，三款软件的几何建模、光源激励、边界条件等基础模块完全等效，核心求解器都是可靠的。

3.2 共形网格（偏振亚像素平均）

边界处理方式（均为基于电场法向的偏振亚像素平均）：

• SimWorks：Conformal variant VP-EP 0，子单元数 N=35

• Lumerical：conformal variant 0

• Tidy3D：PolarizedAveraging

结果：SimWorks 与 Tidy3D 的最大偏差仅 0.102%，与 Lumerical 也基本重合。

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：

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

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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).