使用波动光学模块分析微米和纳米光学器件

仿真软件帮助优化光学器件

仿真可以帮助我们根据实验数据和理论来验证光学系统的设计。然而,对于几何结构远大于电磁波长的大型光学器件来说,传统的仿真方法不仅计算成本高,而且非常耗时。“波动光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 平台软件的附加模块,能够全面满足您的光学建模需求。

“波动光学模块”提供专用的波束包络方法,可用于模拟大型光学器件,与传统方法相比,这种方法能够大幅节省所需的计算资源。内置的许多特征可用于为光学系统建模,例如域偏振,该特征适用于模拟非线性波的传播。材料库中包含 1400 余种材料的折射率色散关系,包括用于透镜、半导体材料以及其他领域的各种玻璃。

在对光子器件、集成光路、光波导、耦合器、光纤等设计进行优化时,您需要考虑实际的应用场景。借助 COMSOL® 软件的多物理场建模功能,您可以综合研究其他物理现象对光学结构的影响;例如激光加热、半导体中的载流子传输以及应力-光学效应等。

使用波束包络法模拟大型光学问题

在波动光学仿真中,我们需要一种能够高效模拟并求解复杂问题的数值方法。波束包络法可以在不依赖传统近似方法的情况下,分析大型光学问题仿真中缓慢变化的电场包络。与传统方法相比,这种方法在求解各个波的传播时所需的网格单元数要少得多。

Did You Know? 波束包络法是用于激光加热的一种仿真方法,在加热域大于波长的情况下,能够准确求解波束焦点附近的场和损耗。

波束包络法是一种高效、可靠的波动光学仿真方法。与此同时,“波动光学模块”还提供一种基于麦克斯韦方程直接离散化的传统全波传播方法。这两种方法都以有限元法(FEM)为基础。

 

波动光学模块带来的优势

通过耦合使用“波动光学模块”与 COMSOL Multiphysics® 软件平台的核心功能,您可以使用许多专用的特征进行波动光学建模。

波动光学模块提供的工具可用于模拟:

  • 光子器件
  • 集成光路
  • 光波导
  • 耦合器
  • 光纤
  • 光子晶体
  • 非线性光学
  • 混频方式的谐波产生
  • 激光器
    • 棒状激光器
    • 板条激光器
    • 盘形激光器
    • 半导体激光器
    • 激光加热
    • 激光束传播
  • 等离激元和等离激元器件
  • 光栅
    • 光纤布拉格光栅
    • 六边形光栅
  • 散射
    • 光散射
    • 表面散射
    • 纳米颗粒散射
  • 极化激元
  • 太赫兹器件
  • 放大器
  • 光刻技术
  • 光电子学
  • 光学传感器
  • 超材料
  • 全息数据存储
  • 石墨烯
使用“波动光学模块”创建的光子晶体波导模型。 一种光子晶体波导,通过得到其中的光子带隙,将传播的波限制在特定频率范围内。

多物理场耦合:

波动光学模块包含:

  • 激光加热

与其他模块耦合:

  • 包括半导体物理学在内的光电子学
  • 结构变形、应力和热膨胀引起的元件性能变化
  • 电光(EO)效应
  • 磁光(MO)效应
  • 应力-光学(SO)效应
  • 声光(AO)效应
  • 射线光学与波动光学的耦合

波动光学模块特征和功能

请阅读以下各节内容,深入了解“波动光学模块”的特征和功能。
“波动光学模块”提供一系列预定义的物理场接口,用于模拟各种微/纳米光学器件。

Did You Know? 物理场接口是针对特定物理领域的用户界面,用于定义方程,并包含有关网格生成、求解器、可视化和结果的设置。

波动光学模块中的基于物理场建模接口:

  • 电磁波,波束包络
  • 电磁波,频域
  • 电磁波,时域显式
  • 电磁波,瞬态

您还可以通过添加半导体模块,使用半导体光电子学,波束包络半导体光电子学,频域 接口。

使用“波动光学模块”的基于物理场建模接口创建的模型示例。

通过三种不同的方式计算菲涅耳透镜中的电场来进行验证:菲涅耳近似、内置的电磁波,波束包络 物理场接口以及电磁波,频域 物理场接口。

借助“波动光学模块”,您可以在二维、二维轴对称和三维域中快速、轻松地建立模型,并使用内置的基本边界条件和高级边界条件执行仿真分析。

波动光学模块中的边界条件:

  • 端口
  • 数值
  • 解析形状
  • 用户定义
  • 具有任意衍射级的周期性端口
  • 散射边界条件
  • 匹配边界条件
  • 周期性条件
  • Floquet 或 Bloch 周期
  • 过渡边界条件
  • 场连续性
  • 通量/源
  • 完美电导体
  • 完美磁导体
  • 阻抗边界条件
  • 表面电流密度
  • 表面磁流密度
  • 电场
  • 磁场

波动光学模块中的域层建模工具:

  • 偏振
  • 远场分析
  • 完美匹配层(PML)
  • 散射场公式
  • 高斯光束
  • 线偏振平面波
  • 用户定义
在 COMSOL Multiphysics 中完成的散射建模示例。 在这个散射示例模型中,含半球体的六边形光栅反射平面波。仿真结果包含由此产生的电场和衍射效率。

通过直接在软件中修改材料定义、控制麦克斯韦方程组或边界条件,您可以实现对仿真的完全控制。凭借这种强大的灵活性,您可以创建各种用户定义的材料,包括带有工程属性的超材料以及旋磁和手性材料。借助基于方程的建模功能,您可以为光学仿真定制精确的输入输出,而无需依赖假设或近似方法。

基于方程建模的灵活性支持以下内置材料和用户定义的材料:

  • 折射率
  • 介电常数、磁导率和电导率
  • 渐变折射率和复值折射率
  • 频率相关材料属性
  • 各向异性
  • 有损耗
  • 非线性
    • 非均质
  • 色散材料
    • Drude-Lorentz
    • Debye
    • Sellmeier
  • 频率变量
  • 波长变量
  • 旋磁材料
  • 手性材料
  • 带有工程属性的超材料
  • 获取各向异性的相关 3x3 张量
  • 具有更高阶衍射模式的 Floquet 周期结构
 
“波动光学模块”具有网格自动生成功能来解析电磁现象的波长,并使用有限元法,结合最先进的求解器来进行求解。您可以使用多种类型的有限网格单元。

Did You Know? 如果您事先对仿真过程中出现的波矢或相函数有所了解,便能够使用波束包络法来显著减少求解模型所需的网格单元数。

“波动光学模块”中的有限元网格类型包括:

  • 四面体
  • 六面体
  • 棱柱
  • 金字塔
  • 三角形
  • 四边形
  • 周期性
  • 线性离散化、基于高阶节点的离散化和边单元离散化
  • 四面体、棱柱、金字塔、六面体、三角形和四边形单元的组合
在波动光学模型中使用物理场控制网格划分的示例。 由两个并列光波导构成的定向耦合器通过物理场控制网格划分功能进行建模,其中使用扫掠网格来确定电场模。

“波动光学模块”提供一套全面的求解器和研究类型供您选择,可帮助您得到经过验证的数值解。此外,您还可以使用该模块进行特征频率、频域、波长域和边界模式分析。

波动光学模块中的数值方法:

  • 基于有限元法的全波传播
  • 基于有限元法的波束包络法
    • 单向
    • 双向

波动光学模块中的研究类型:

  • 特征频率
  • 模式分析
  • 基于频率或波长
  • 瞬态
  • 自适应频率扫描
使用“波动光学模块”的内置研究类型的光学环形谐振腔模型示例。 通过对光学环形谐振腔模型运行两个边界模式分析和频域研究,得到电场、反射率、透射率以及损耗。

您可以使用“波动光学模块”提供的后处理工具,以直观易懂的方式呈现仿真结果。这些工具可用于计算 S 参数矩阵、透射属性以及反射属性,等等。不仅如此,该模块还提供许多高级工具,用于对任意场物理量执行可视化和后处理操作。

波动光学模块中的后处理特征:

  • 积分、计算和可视化
    • 电场分量
    • 磁场分量
    • 能量
    • 功率流
    • 复合场物理量
    • 功率损耗密度
  • 提取
    • S 参数矩阵
    • 透射和反射系数
使用“波动光学模块”提供的后处理特征的模型示例。 线光栅基本单元模型,使用 Floquet 边界条件定义周期;通过成倍增加基本单元来形成三维对象。其中还计算了透射系数、反射系数和一阶衍射系数。

试想一下,如果您不需要再为团队中的其他成员反复运行仿真测试,是不是就能把更多的时间和精力投入到新的项目中?借助“App 开发器”,您可以构建仿真 App,在其中限制模型的输入并控制模型输出,使您的同事也能够自行运行分析,从而进一步简化仿真工作流程。

您可以使用 App 轻松更改元件中的波长等设计参数,并根据需要执行多次测试,而无需重新运行整个仿真。您可以借助 App 提高自己的测试运行效率,也可以将 App 分发给其他团队成员供大家运行各自的测试,从而将节省的时间和资源投入到其他项目中。

仿真 App 的构建过程非常简单:

  1. 将波动光学模型转换为专用的用户界面(App)
  2. 为 App 用户选择输入和输出,实现按需定制 App
  3. 使用 COMSOL Server™ 产品将 App 部署给其他团队成员
  4. 最终实现您的团队成员在无需任何帮助的情况下,便能够自行运行设计分析

通过构建和使用仿真 App,您可以在整个团队、机构、课堂或客户/供应商群体中扩展仿真功能。

用于分析偏振光束分光器的专用 App 示例。 高斯光束穿过两个棱镜,由一叠交替放置的高折射率材料和低折射率材料隔开。波是否会发生反射,将具体取决于 App 的设计和用户选择的仿真参数。

开发满足实际应用的光子器件和光波导

如果您希望自己的光学结构或器件设计能够在实际应用中具备优异的性能,就需要考虑各种类型的物理场对设计产生的影响。利用 COMSOL Multiphysics® 软件和附加的“波动光学模块”,您可以轻松地在一个仿真中对不同的物理效应进行耦合分析。

许多波动光学应用都涉及多个物理场,包括激光加热中的传热、应力光学中的结构力学以及半导体激光器,等等。借助多物理场仿真,您可以将所有这些物理效应耦合到同一个建模环境中,进行综合全面的仿真研究。

您的最终产品是否往往涉及多个物理领域?在 COMSOL Multiphysics® 核心软件平台上,您可以根据需要,将“波动光学模块”与任意模块搭配混合使用,所有附加模块均能实现无缝集成。这意味着,不论您为何种应用领域或物理场建模,都可以遵循同样的建模工作流程。

激光加热的三维模型。 半透明介质的激光加热。图中显示材料的温度和光强。

下一步:
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每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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