基于并行三维FDTD算法的光学仿真软件的开发

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FDTD算法,通过了近五十年的研究改进,其应用领域也不断扩大,仅光学领域内利用它所发表的文献数量就在快速增长,但是研究所必备的数值仿真软件中却基本都是由国外人员研发出来的。可见,利用此类知名软件撰写的论文也获得了世界范围内各大高水平期刊的认可,比如Lumercial Solutions公司的FDTD Solutions、Optiwave公司的OptiFDTD等。这造成了我国在此行业的软件水平与国外的差距,而且这种差距会随着微纳光学的快速发展而逐步加大,故而开发出一款具备国家自主产权的兼顾系统架构、算法效率与数据分析功能的专业系统软件来解决很多通用的电磁问题,变得越来越有必要。本文的主要目的就是研发出一款采用并行三维时域有限差分算法的光学模拟仿真软件。该软件采用高效的C++编程语言编写而成,架构是基于MVC的MFC,在保证算法效率的同时具备一定的可扩展性。除了具备三维可视化、波导模型设计、边界条件设置、激励光源添加、数据结果分析等基本功能外,还有两个特色之处:1.利用OpenMP将串行执行的FDTD算法并行化,充分利用当今计算机的多CPU内核和大内存的优势来提高算法的运行效率;2.采用数据库与文本双存储引擎,充分利用二者各自的优点来适配模拟仿真项目。本文最后通过一个完整的示例演示软件所具备的基本功能;利用串行算法、并行算法来模拟仿真同一个项目,分别得到项目的运行时间数据,通过对该数据的分析,验证并行算法相比于串行算法所带来效率提升,并结合操作系统原理给出影响效率提升的因素;通过一个模拟仿真项目和商业软件OptiFDTD进行基本功能的对比,根据仿真结果分析的图形显示结果,验证本软件的正确性,并给出误差出现的原因。
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