波动光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“波动光学模块”的用户引入了物理场控制的自动网格剖分,实现了符合亥姆霍兹理论的高斯背景场,并添加了新的后处理变量等多项更新。请阅读以下内容,了解“波动光学模块”的所有更新功能。

物理场控制的网格剖分

默认情况下,电磁波,频域电磁波,波束包络 接口现在都启用物理场控制的网格剖分。这一网格剖分算法已更新,现在可处理一般的频率相关材料属性,以及 Drude-Lorentz、Debye 和 Sellmeier 色散模型,此功能还可用于模式分析。

电磁波,波束包络 接口中的默认设置是在三维模式下创建扫掠网格,在二维模式下创建映射网格,另外还可以选择创建四面体网格或三角形网格。

“电磁波,波束包络”的物理场控制的网格设置的屏幕截图。

以“定向耦合器”教学案例为例,电磁波,波束包络接口设置中新增的 物理场控制网格栏。

以“定向耦合器”教学案例为例,电磁波,波束包络接口设置中新增的 物理场控制网格栏。


使用新的物理场控制的网格示例的案例库路径:
Wave_Optics_Module/Gratings_and_Metamaterials/hexagonal_grating
Wave_Optics_Module/Gratings_and_Metamaterials/negative_refractive_index
Wave_Optics_Module/Gratings_and_Metamaterials/plasmonic_wire_grating
Wave_Optics_Module/Optical_Scattering/beam_splitter
Wave_Optics_Module/Optical_Scattering/brewster_interface
Wave_Optics_Module/Optical_Scattering/nanorods
Wave_Optics_Module/Optical_Scattering/scattering_nanosphere
Wave_Optics_Module/Verification_Example/dielectric_slab_waveguide
Wave_Optics_Module/Verification_Example/fresnel_equations
Wave_Optics_Module/Verification_Example/symmetric_laser_cavity
Wave_Optics_Module/Waveguides_and_Couplers/directional_coupler
Wave_Optics_Module/Waveguides_and_Couplers/optical_ring_resonator
Wave_Optics_Module/Waveguides_and_Couplers/photonic_crystal
Wave_Optics_Module/Waveguides_and_Couplers/step_index_fiber_bend

研究步骤的默认波长

当您使用电磁波,频域电磁波,波束包络 物理场接口添加与频率或波长相关的研究步骤(如波长域频域 研究步骤)时,系统将使用 1 μm 的默认波长。

符合亥姆霍兹理论的高斯波束背景场

此版本添加了新的高斯波束背景场,其中使用在指向主传播方向周围分布的波矢方向传播的平面波的总和近似处理波束焦平面。与近轴近似方法相比,新方法的优势在于平面波展开方法是亥姆霍兹方程的真实解,因为每个平面波都是亥姆霍兹方程的解。顾名思义,近轴近似只是亥姆霍兹方程的近似解,不适用于表示强聚焦高斯波束。


使用符合亥姆霍兹理论的高斯波束背景场示例的案例库路径:
Wave_Optics_Module/Optical_Scattering/nanorods

新增用于反射率和透射率的后处理与可视化工具

此版本引入了新的后处理变量来简化反射率、透射率和吸收率表达式的计算。例如,对于端口 1 的反射率,现在只需写入 ewfd.Rport_1,而无需写入 abs(ewfd.S11)^2。名为 ewfd.Rport_<x> 和 ewfd.Tport_<x> 的变量都基于端口名称 <x>。同样,在使用周期性端口和衍射级端口时,可以使用基于模数和模式偏振的新变量。例如,变量 ewfd.Rorder_p1_op 表示二维模式下具有 1 阶面外偏振的反射率。此外,还新增了总反射率、总透射率、总反射率和透射率以及吸收率的求和变量。

对于频率或波长扫描、参数化扫描以及辅助扫描,可以生成新的反射率和透射率默认绘图。如果在研究中没有执行任何扫描,则不会生成默认绘图,而是在表格中对反射率和透射率变量执行全局计算。


“六边形光栅”教学案例中的绘图。

“六边形光栅”教学案例中模式衍射效率的默认绘图。

“六边形光栅”教学案例中模式衍射效率的默认绘图。
“介质平板波导”教学案例的屏幕截图。

“介质平板波导”教学案例的默认 全局计算节点、设置及相关表格(右下角)。

“介质平板波导”教学案例的默认 全局计算节点、设置及相关表格(右下角)。

新增用于边界模式分析的有效折射率变量

在执行边界模式分析时,会创建新的模式有效折射率变量。这些变量的名称遵循 <phys>.neff_<x> 模式,其中,<phys> 是物理场接口标记,<x> 是端口名称。例如,电磁波,频域 接口中端口 1 的变量名称为 emw.neff_1。

新增教学案例:槽波导

此案例分析纳米槽波导内的模式传播。在槽波导结构中,两块折射率较高的平板与折射率较低的槽相邻放置。槽波导的特性与常规电介质波导不同,槽波导内的模式限于折射率较低的槽材料,通过在槽波导的二维横截面上运行模式分析来表明。执行进一步分析来优化槽的宽度,从而为整个槽区域提供最大的光功率和光强。

来自 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中新增的“槽波导”教学案例的绘图。

表面图显示光限定在中心折射率较低的槽区域。绘图变量为电场 x 分量。

表面图显示光限定在中心折射率较低的槽区域。绘图变量为电场 x 分量。

案例库路径:
Wave_Optics_Module/Waveguides_and_Couplers/slot_waveguide

更新教学案例:菲涅尔透镜

此案例已更新为包含电磁波,频域电磁波,波束包络 接口的比较分析。与解析结果非常相近,但使用电磁波,波束包络 接口时计算速度要快得多。此外,分步操作说明现在还演示如何添加模型方法,这种方法可用于在几何参数发生变化时自动重构复杂的几何。最后,本案例现在使用完美匹配层更有效地吸收来自衍射结构的散射光,从而改进与解析结果的比较。

COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中更新的“菲涅尔透镜”教学案例中的绘图。

更新的比较绘图,其中包含 电磁波,波束包络接口的仿真结果。

更新的比较绘图,其中包含 电磁波,波束包络接口的仿真结果。

案例库路径:
Wave_Optics_Module/Verification_examples/fresnel_lens

自适应频率扫描

新增的自适应频率扫描 研究类型可用于提高模型的运行速度,还可以通过在频域中使用降阶模型来提供较高的频率分辨率。例如,您可以计算线性或线性化模型在多个频率的谐波激励下的响应。通过矩匹配技术执行渐近波形估计 (AWE) 模型降阶,在这种技术中,对指定频率间隔的传递函数使用帕德近似或泰勒级数展开。AWE 表达式是根据端口设置自动选择的,但也可以通过用户定义的表达式来指定。可以输入用户定义的表达式,用于通过 AWE 算法计算时进行误差估计。当用于 AWE 方法的表达式表示物理量相对于频率的变化足够缓慢时,可以使用非常高的频率分辨率来运行仿真,而不会对性能产生大的影响。尽管在先前的版本中已经包含 AWE 方法,但之前并不是易于访问的专用研究类型。

COMSOL Multiphysics 5.3a 中新增的“自适应频率扫描”研究类型演示。

图中显示针对波导虹膜滤波器模型的自适应频率扫描与常规扫描之间的 S 参数比较。该仿真可以在与离散扫描仿真相似的时段内以高出 10 倍的高频率分辨率运行。

图中显示针对波导虹膜滤波器模型的自适应频率扫描与常规扫描之间的 S 参数比较。该仿真可以在与离散扫描仿真相似的时段内以高出 10 倍的高频率分辨率运行。

狭缝端口可视化:更直观的箭头方向

启用狭缝条件的内部端口现在可以通过箭头符号显示功率流的方向。通过单击切换功率流方向 按钮即可轻松切换功率流的方向。

COMSOL Multiphysics 5.3a 中“切换功率流方向”按钮的演示。

单击 切换功率流方向按钮可以改变功率流在内部狭缝端口上的方向。

单击 切换功率流方向按钮可以改变功率流在内部狭缝端口上的方向。

使用组合解研究步骤细化数据

组合解 研究步骤可用于过滤和移除不需要的解。例如,此功能可用于过滤出时域到频域 FFT 研究步骤前后 5% 的频谱,并能根据用户定义的表达式排除部分解。