[Python + Ansys Lumerical FDTD] Si/SiO₂ 多層膜構造を自動生成するpythonスクリプトを作ってみた

はじめに

Lumerical FDTD では GUI で構造を描くことができますが、多層膜のように層数が多い構造では手作業が大変です。

この記事では、
材料ファイル
多層膜パラメータファイル
構造生成クラス
FDTD プロジェクト生成スクリプト

を Python で分離し、
Si / SiO₂ の多層膜構造を自動生成して .fsp として保存する方法を紹介します。

📁 ファイル構成

project_folder/
│
├─ user_dielectric_materials.py ← 材料定義
├─ user_multilayer_parameters.py ← 多層膜パラメータ
├─ multilayer_core.py ← 構造生成クラス
└─ build_multilayer_fdtd.py ← 実行スクリプト

1. 材料定義ファイル

user_dielectric_materials.py

Si_material   = "Si (Silicon) - Palik"
SiO2_material = "SiO2 (Glass) - Palik"

material_list = [Si_material, SiO2_material]

unique_material_list = []
for m in material_list:
    if m not in unique_material_list:
        unique_material_list.append(m)

2. 多層膜パラメータ

user_multilayer_parameters.py

import numpy as np

simulation_span_x = 2.0e-6
simulation_span_y = 2.0e-6

substrate_thickness = 1.0e-6
substrate_width     = simulation_span_x
substrate_length    = simulation_span_y

num_pairs = 5        # 1ペア = SiO2 + Si

t_SiO2 = 100e-9
t_Si   = 80e-9

layer_width  = substrate_width
layer_length = substrate_length

stack_total_thickness = num_pairs * (t_SiO2 + t_Si)

air_buffer_above = 0.5e-6
air_buffer_below = 0.5e-6

fdtd_span_x = simulation_span_x
fdtd_span_y = simulation_span_y
fdtd_span_z = substrate_thickness + stack_total_thickness + air_buffer_above + air_buffer_below

3. 多層膜構造生成クラス

multilayer_core.py

import lumapi
from user_multilayer_parameters import *
from user_dielectric_materials import *

class DielectricMultilayer:
    def __init__(self, num_pairs):
        self.num_pairs = num_pairs

    def add_fdtd_multilayer(self, fdtd, create_fdtd_region=True):

        # --- 1. FDTDリージョン ---
        if create_fdtd_region:
            fdtd.addfdtd()
            fdtd.setnamed("FDTD", "x span", fdtd_span_x)
            fdtd.setnamed("FDTD", "y span", fdtd_span_y)
            fdtd.setnamed("FDTD", "z span", fdtd_span_z)

        # --- 2. 基板 ---
        fdtd.addrect(name="Substrate")
        fdtd.setnamed("Substrate", "x span", substrate_width)
        fdtd.setnamed("Substrate", "y span", substrate_length)
        fdtd.setnamed("Substrate", "z span", substrate_thickness)
        fdtd.setnamed("Substrate", "material", Si_material)

        current_z = substrate_thickness / 2

        # --- 3. 多層膜 ---
        fdtd.addstructuregroup()
        fdtd.setnamed("structure group", "name", "MULTILAYER")

        for i in range(self.num_pairs):

            # SiO2 層
            name_sio2 = f"SiO2_layer_{i+1}"
            fdtd.addrect(name=name_sio2)
            fdtd.setnamed(name_sio2, "z", current_z + t_SiO2/2)
            fdtd.setnamed(name_sio2, "x span", layer_width)
            fdtd.setnamed(name_sio2, "y span", layer_length)
            fdtd.setnamed(name_sio2, "z span", t_SiO2)
            fdtd.setnamed(name_sio2, "material", SiO2_material)
            fdtd.addtogroup("MULTILAYER")

            current_z += t_SiO2

            # Si 層
            name_si = f"Si_layer_{i+1}"
            fdtd.addrect(name=name_si)
            fdtd.setnamed(name_si, "z", current_z + t_Si/2)
            fdtd.setnamed(name_si, "x span", layer_width)
            fdtd.setnamed(name_si, "y span", layer_length)
            fdtd.setnamed(name_si, "z span", t_Si)
            fdtd.setnamed(name_si, "material", Si_material)
            fdtd.addtogroup("MULTILAYER")

            current_z += t_Si

4. FDTD プロジェクト生成スクリプト

build_multilayer_fdtd.py

import os
import lumapi

from user_multilayer_parameters import num_pairs
from multilayer_core import DielectricMultilayer

SAVE_DIR = "./multilayer_projects"
os.makedirs(SAVE_DIR, exist_ok=True)

def main():
    stack = DielectricMultilayer(num_pairs)

    with lumapi.FDTD(hide=False) as fdtd:
        fdtd.switchtolayout()
        fdtd.redrawoff()

        stack.add_fdtd_multilayer(fdtd)

        fdtd.redrawon()
        save_path = os.path.join(SAVE_DIR, "dielectric_multilayer.fsp")
        fdtd.save(save_path)

        print("Saved:", save_path)

if __name__ == "__main__":
    main()

multilayer_core.pyファイルでDielectricMultilayerをクラスとして定義し、多層膜のペアの層数num_pairsを外から制御できるパラメータとしています(def init(self, num_pairs):の箇所)。

そうしておくとbuild_multilayer_fdtd.pyのstack = DielectricMultilayer(num_pairs)でnum_pairs=10とすれば、ペアの層数が10層の多層膜が生成できるようになります。

num_pairs以外のパラメータも同じ要領で追加すれば、外から制御できるパラメータとして扱えるので便利です。

実行結果

build_multilayer_fdtd.pyの実行結果がこちらになります。
substrate上にSi/SiO2の多層膜が形成されていることが確認できます。

まとめ

この記事では、
Python + Lumerical FDTD で多層膜構造を自動生成する仕組み
材料ファイル・パラメータファイル・構造クラス・実行スクリプトの分離方法
について紹介しました。

後はプロジェクトファイル上で条件を追加すれば多層膜のFDTDシミュレーションができるようになるでしょう。

※本記事は筆者個人の見解であり、所属組織の公式見解を示すものではありません。

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