波动光学模块

使用波动光学模块分析微米和纳米光学器件

波动光学模块

光学元件:在本光波导示例中,绕圆环传播的波与沿直波导传播的波之间产生干扰。对于不连续相边界,使用场连续性边界条件来保证场的连续性。

模拟光学设计元件的软件

波动光学模块提供了专用的工具来模拟线性和非线性光学介质中的电磁波传播,实现精确的元件仿真和光学设计优化。使用该模块,您可以在光学结构中进行频域或时域的高频电磁波仿真。模块还支持非均质和完全各向异性材料,以及具有增益或损益的光学介质,强化了光学介质模拟功能。波动光学模块中提供了几个二维和三维的公式,用于特征频率模式分析、频域和时域电磁仿真。您可以使用后处理工具计算、可视化和分析物理现象,例如计算传输和反射系数。

分析所有类型的光学介质

简单直接地在二维、二维轴对称或三维空间中仿真光学传感器、超材料、光学纤维、双向耦合器、电浆子器件、光子学中的非线性光学过程以及激光束传播。端口可以定义为输入或输出,通过多个端口可以自动提取包含光学结构的全部传播和反射属性的 S 参数矩阵。可以应用一系列不同的边界条件来仿真,例如散射、周期性和不连续边界条件等。完美匹配层 (PML) 非常适合于最低计算成本地仿真电磁波传播进入无界自由空间。后处理功能使您可以对几乎任何物理量进行可视化、计算或积分,因为您可以自由地编写由场和派生值组成的数学表达式。


更多图片:

DRUDE-LORENTZ 狭缝:描述了波前平直并具有高斯时间脉冲的的平面波通过包含亚波长狭缝的平板结构。并应用了周期性边界条件来创建狭缝阵列。 DRUDE-LORENTZ 狭缝:描述了波前平直并具有高斯时间脉冲的的平面波通过包含亚波长狭缝的平板结构。并应用了周期性边界条件来创建狭缝阵列。
六角光栅:平面波入射到由突出的半球构成的六角反射光栅上。并针对多个波长计算不同衍射级的散射系数。 六角光栅:平面波入射到由突出的半球构成的六角反射光栅上。并针对多个波长计算不同衍射级的散射系数。
光子晶体:波导可以使用具有光子带隙的高折射率柱阵列来构建。在一定的频率范围内,可以观察到良好的传导特性。 光子晶体:波导可以使用具有光子带隙的高折射率柱阵列来构建。在一定的频率范围内,可以观察到良好的传导特性。
等离子体线光栅:在基板上分布的银圆柱阵列,通过 Floquet 周期对一个晶胞来建模分析。通过仿真得到高阶衍射。 等离子体线光栅:在基板上分布的银圆柱阵列,通过 Floquet 周期对一个晶胞来建模分析。通过仿真得到高阶衍射。
散射纳米球:平面波照在纳米金球上,并得到其电磁散射大小。该金球属性描述为包含负数的复介电常数。模型结果得到了电磁热损耗大小。 散射纳米球:平面波照在纳米金球上,并得到其电磁散射大小。该金球属性描述为包含负数的复介电常数。模型结果得到了电磁热损耗大小。

一系列简化光学仿真的工具

波动光学模块可以仿真非均质、各向异性、非线性和色散材料(例如电导率、折射率、介电常数或磁导率)光学介质。为此,COMSOL Multiphysics 提供了 3 x 3 张量(各向异性属性)或者您也可以输入任意代数方程来表示非线性、非均质和色散材料属性。要对波长或频率进行参数化扫描,您可以定义包含采用频率或波长变量的表达式作为材料属性。波动光学模块允许用户访问底层方程,并可以通过数学表达式描述材料属性,这种灵活性使得模块可以良好地模拟各种复杂材料,例如带有工程属性的旋磁和超材料。此外,还可以仿真高阶衍射模式和梯度折射率材料的 Floquet 周期性结构。

其他现象对波动光学的影响

与所有 COMSOL 模块一样,波动光学模块可以与 COMSOL Multiphysics 及其他专业模块无缝地集成。这种集成使您可以将其他物理场与电磁波传播进行耦合。例如,您可以观察激光加热,或者结构应力和形变对于光通过光学器件和元件传播的影响。

利用创新性波束包络算法进行精确的光学模拟

在电磁波传播的瞬态研究中,通常假设随时间发生的所有变化为正弦信号,使问题具有频域时谐性。波动光学模块具有许多用于仿真此类现象的接口。您还可以仿真信号失真很小的非线性问题。如果非线性影响很强,则需要对器件进行完全瞬态研究。

使用传统方法求解光学传播问题时,往往需要使用大量单元来解析每个波长。而且仿真光的传播时,总是会涉及到小波长。通常情况下,模拟相关尺度比波长大的器件时,将需要大量的计算资源。然而,波动光学模块使用创新性波束包络方法来实现这种类型的仿真,减少对计算资源的依赖性。

计算电磁全波传播的这种创新方法通过直接离散 Maxwell 方程组来克服传统方法所需的近似计算。其中,电场表示为缓慢变化的包络函数与快速变化的指数相函数的积。这使您可以利用软件精确地仿真大型光学系统,其中系统的几何尺寸远大于波长,而且必须考虑光波的波动特征。波动光学模块中也提供了常规的电磁全波传播方法,可以在较小几何模型中使用。

波动光学模块

产品特征

  • 面内、轴对称和全波三维电磁波传播
  • 高效仿真大型光学器件的光束包络算法
  • 用户定义材料,梯度折射率、频率依赖、各向异性或有损的
  • 负折射和超材料
  • 支持光学与传热、结构分析和流体流动进行多物理场耦合分析
  • 频域、时域和特征模态分析
  • 周期性结构与高阶 Floquet 模式
  • 完美匹配层 (PML),描述无限大域的最好方式
  • 平面波、柱面波、球面波,以及高斯波的散射场公式,或用户定义的入射场
  • 利用散射参数(S 参数)描述传输和反射
  • 任意场量的高级可视化功能
  • Drude-Lorentz、Debye 和 Sellmeier 色散模型

应用领域

  • 光子器件
  • 集成光学
  • 波导
  • 耦合器
  • 纤维光学
  • 光子晶体
  • 光纤 Bragg 光栅
  • 非线性光学
  • 谐波发生与混频
  • 光散射
  • 表面散射
  • 纳米粒子散射
  • 激光器和放大器
  • 半导体激光器
  • 圆棒状、片状和圆盘状激光器
  • 激光加热
  • 光电
  • 光刻
  • 光学传感器

支持的文件类型

文件格式 扩展名 导入 导出
Touchstone .s2p, .s3p, .s4p, ...

表面等离子体共振

超材料使物理场看起来像变魔术

通过拥有 150 年历史的“完美影像”系统实现光刻分辨率的 100 倍提升

金纳米球的光散射

槽波导

定向耦合器

弯曲的阶跃折射率光纤

光纤模拟器

Drude-Lorentz 色散介质的时域建模

六边形光栅

定义材料的映射电介质分布

负折射率建模

单比特全息图

下一步:
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