定向耦合器FDTD仿真三强对决：SimWorks、Lumerical与Tidy3D结果深度对比 原创

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 20 μm，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 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。

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Lumerical：Si-Palik(sampled data) / Tidy3D：poleresidue 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。Tidy3D 在 20 nm 和 50 nm 带宽下的结果偏差仅 0.1%，表现极为稳定；SimWorks 和 Lumerical 在不同带宽下则出现了 3%～3.7% 的偏移。

为啥差距这么大？：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。

此外，SimWorks 的透过率整体偏低约 0.7%～3.7%，这与其默认的网格细化子单元数（Mesh refinement subcells）为 5 有关——在材料边界处的等效介电常数计算精度低于另外两款软件的内置默认值，从而低估了耦合效率。这一假设将在后续实验中得到验证。

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。这给了我们极大的信心——它们不是“黑盒”，只是后续的“美化”手段不同。

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）：

• SimWorks：Conformal variant VP-EP 0，子单元数 N=5
• Lumerical：conformal variant 0
• Tidy3D：PolarizedAveraging

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 N=35 时，SimWorks 与 Tidy3D 的最大偏差仅 0.102%，与 Lumerical 也基本重合。

这说明两点：

1. SimWorks 的求解器内核同样精确，只是默认参数偏保守；
2. 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
默认共形网格差异	Lumerical 与 Tidy3D 高度一致（<0.29%），SimWorks 默认子单元数较少，结果偏低约 2%
参数调优可行性	SimWorks 可通过提高子单元数（如 N=35）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

FDTD 仿真的“黑盒”恐惧，往往源于对底层差异的不了解。本文用同一款器件、同一套设置，将三款主流软件的结果差异量化到了可解释的层面。我们相信，没有绝对“最好”的软件，只有最懂自己需求的工程师。

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).