波动光学模块

分析微型和纳米光学器件

“波动光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件平台的一个附加产品,供工程师和科研人员用来理解、预测和研究电磁波在光学应用中的传播和谐振效应。这种仿真通过分析设计方案中的电磁场分布、透射和反射系数,以及功率损耗,可以提供更加强大、高效的产品和工程方法。

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。COMSOL Multiphysics® 软件的多物理场建模功能可以帮助您研究其他物理场对光学结构的影响;例如,应力-光、电-光、声-光效应以及电磁热。

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光学环形谐振腔模型,其中以 HeatCamera 颜色表显示电场。

使用波束包络法模拟大型光学问题

除了传统的数值方法以外,“波动光学模块”还提供专用的波束包络方法,可用于模拟大型光学器件。与传统技术相比,这种方法能够大幅节省所需的计算资源,其应用包括定向耦合器、光纤布拉格光栅、透镜系统、波导、外部光学系统、光纤耦合、激光二极管堆,以及激光束传输系统。

波束包络法能够在不依赖近似方法的情况下,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,该方法在求解各个波的传播时所需的网格单元数要少得多。

波动光学模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件执行各种光学分析。

光纤模型的特写视图,其中显示电场。

光纤

光纤中的模态分析和波传播。

光束模型的特写视图,其中显示螺旋相位分布。

光束传播

高斯波或平面波在电介质或自由空间中的传播。

通过光波导传播的高斯光束的特写视图,以曲折图案的形式呈现。

波导

计算波导的透射和反射系数。

定向耦合器模型的特写视图,其中显示电场。

波导耦合器

分析近距离波导之间的物理场耦合。

金纳米球模型的特写视图,其中显示光散射。

光散射

平面波和高斯光束的散射。

介电基板上的线光栅的特写视图,其中显示电场模。

等离激元光学

表面等离激元和等离极化激元的电磁激励。

光子晶体模型的特写视图,其中显示电场。

光子晶体

光子晶体和带隙结构。

激光束模型的特写视图,其中显示二次谐波产生。

非线性光学

二次谐波产生、自聚焦效应和其他非线性效应。

激光腔模型的特写视图,其中显示电场。

激光腔

激光腔的谐振频率和阈值增益。

具有七个突出半球的六边形光栅模型的特写视图。

光栅和超材料

光栅、超材料和一般周期性结构的透射、反射和衍射。

光子波导模型的特写视图,其中显示电场。

应力-光学效应1

波导中应力诱导的双折射效应。

LED 器件的特写视图,其中显示电致发光发射率。

光电子学2

光电子器件中的发射、吸收和折射率的变化情况。

  1. 需要“结构力学模块”或“MEMS 模块”
  2. 需要“半导体模块”

波动光学模块的特征和功能

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。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“电磁波,波束包络”节点;“图形”窗口中显示菲涅尔透镜模型。

全波电磁学分析

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来执行仿真分析。

仿真工作流程简单明了,一般可以通过以下步骤进行描述:创建或导入几何、选择材料、选择合适的波动光学 接口、定义边界条件和初始条件、定义网格、选择求解器以及将结果可视化。所有这些步骤都可以在 COMSOL Multiphysics® 环境中执行。软件会自动设置网格划分和求解器,并提供手动编辑选项。

“波动光学模块”的功能涵盖了根据麦克斯韦方程以及适用于各种介质中传播的材料定律的电磁场和波仿真。您可以通过内置的用户界面来使用建模功能,从而分析光学和光子器件中的波现象。

“波动光学模块”支持在频域和时域进行建模,包括特征频率和模式分析。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“解析”节点;“图形”窗口中显示光纤模型。

光学材料

您既可以使用内置光学材料数据库中的材料,也可以定义自己的材料;您可以指定相对介电常数或折射率,还可以包含更高级的材料属性,如德拜、Drude-Lorentz 和 Sellmeier 色散。材料还可以呈各向异性,也可以具有功能梯度。

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。

“表面”节点设置的特写视图,“图形”窗口中显示表面等离激元线光栅模型。

数据可视化和提取

您可以使用电场和磁场、反射率、透光率、衍射效率、S 参数、功率流和耗散等绘图来呈现结果。另外,还可以根据可自由定义的物理量来创建非标准表达式的可视化效果。这样一来,您便可以通过检查结果的几乎每个方面来获得更深入的了解。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“偏振”节点;“图形”窗口中显示一维绘图。

非线性光学

“波动光学模块”提供多个特征,用于在时域和频域模拟非线性光学问题。您可以在频域中为自聚焦等现象使用场相关的材料属性,也可以将多个频域分析进行耦合,以模拟不同频率下的两个或多个波之间的混合(比如:和频或差频产生)。通过引入非线性偏振项,您还可以通过此方法使用连续波(CW)激光器或其他准稳态现象进行非线性仿真。时域中也具有类似的灵活性,您可以修改偏振或残余电位移项,以实现更高级的建模场景,如超快现象。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“端口”节点;“图形”窗口中显示二维模型。

边界条件

电磁波建模需要高度专业化的边界条件,包括对无界域以及超材料等周期性结构进行建模的功能。例如,为周期性超材料建模时需要能够处理任意入射角和衍射级的周期性端口。对波导和光纤进行常规建模时,需要数值模式匹配的端口来正确地馈送入射光波导。

波动光学模块中的重要边界条件

  • 理想电导体(PEC)
  • 阻抗(有限电导率)
  • 过渡(有损导电薄板)
  • 具有任意衍射级的周期性端口
  • Floquet 或 Bloch 周期边界
  • 散射(吸收)边界
  • 端口
    • 解析形状
    • 数值(模式匹配)
“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“芯”节点;“图形”窗口中显示调制器模型。

光学器件中的多物理场效应

您可以将“波动光学模块”与任何其他模块耦合,用来模拟多物理现象,所有这些模块都与核心的 COMSOL Multiphysics® 软件平台实现无缝集成。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。

您可以研究机械变形对器件性能的影响,包括应力-光学效应。同样,您也可以研究传热、热应力和热耗散对器件的影响。

不仅如此,您还可以模拟各种物理现象如何用于调制目的,例如声光、电光和磁光效应。

通过将本模块与质量传递仿真相结合,您可以计算具有各向异性扩散系数的真实折射率曲线,并将结果用于电磁学分析。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“衍射级”节点;“图形”窗口中显示六边形光栅模型。

周期性结构

周期性结构是许多工程电磁结构的基础,这些结构用于偏振和亚波长成像以及衍射光学等应用。在“波动光学模块”中,您可以使用 Floquet 周期条件和不同的衍射级对这些结构(包括它们的高阶衍射模式)进行建模。利用这些特征,您可以准确地设计超表面和其他平面光学元件。

“电磁波,频域”节点设置的特写视图,以及两个“图形”窗口。

散射

您可以使用散射场公式轻松地建立金纳米粒子的精确散射模型等。通过采用这种方法,您可以在“波动光学模块”中选择入射平面波、高斯光束(有或没有近轴近似)或用户定义的激励,然后求解由所选激励引起的散射场。通过使用完美匹配层(PML)的出射辐射吸收功能,仿真域可以近似为无限空间,并通过 PML 来吸收各种频率和入射角范围内的辐射。您可以使用近远场变换来分析散射体的远场辐射。

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