• Description

使用波動光學模組分析微米和奈米光學器件

 

模擬軟體幫助優化光學器件

 

模擬可以幫助我們根據實驗數據和理論來驗證光學系統的設計。然而,對於幾何結構遠大於電磁波長的大型光學器件來說,傳統的模擬方法不僅計算成本高,而且非常耗時。波動光學模組COMSOL Multiphysics ®平台軟體的附加模組,能夠全面滿足您的光學建模需求。

波動光學模組提供專用的波束包絡方法,可用於模擬大型光學器件,與傳統方法相比,這種方法能夠大幅節省所需的計算資源。內置的許多特徵可用於為光學系統建模,例如域偏振,該特徵適用於模擬非線性波的傳播。

 

材料庫中包含1400 餘種材料的折射率色散關係,包括用於透鏡、半導體材料以及其他領域的各種玻璃。

在對光子器件、整合光路、光波導、耦合器、光纖等設計進行優化時,您需要考慮實際的應用場景。借助COMSOL ®軟體的多物理場建模功能,您可以綜合研究其他物理現像對光學結構的影響;例如激光加熱、半導體中的載流子傳輸以及應力-光學效應等。

 

使用波束包絡法模擬大型光學問題

 

在波動光學模擬中,我們需要一種能夠高效模擬並求解複雜問題的數值方法。波束包絡法可以在不依賴傳統近似方法的情況下,分析大型光學問題模擬中緩慢變化的電場包絡。與傳統方法相比,這種方法在求解各個波的傳播時所需的網格單元數要少得多。

波束包絡法是一種高效、可靠的波動光學模擬方法。與此同時,波動光學模組還提供一種基於麥克斯韋方程直接離散化的傳統全波傳播方法。這兩種方法都以有限元法(FEM)為基礎。

波動光學模組帶來的優勢

 

透過耦合使用波動光學模組COMSOL Multiphysics® 軟體平台的核心功能,您可以使用許多專用的特徵進行波動光學建模。

波動光學模組提供的工具可用於模擬:

 

l  光子器件

l  整合光路

l  光波導

l  耦合器

l  光纖

l  光子晶體

l  非線性光學

l  混頻方式的諧波產生

l  雷射器

n  棒狀雷射器

n  板條雷射器

n  盤形雷射器

n  半導體雷射器

n  雷射加熱

n  雷射束傳播

l  等離激元和等離激元器件

l  光柵

n  光纖布拉格光柵

n  六邊形光柵

l  散射

n  光散射

n  表面散射

n  納米顆粒散射

l  極化激元

l  太赫茲器件

l  放大器

l  光刻技術

l  光電子學

l  光學傳感器

l  超材料

l  全息數據存儲

l  石墨烯

多物理場耦合:

 

波動光學模組包含:

l  激光加熱

 

與其他模組耦合:

l  包括半導體物理學在內的光電子學

l  結構變形、應力和熱膨脹引起的元件性能變化

l  電光(EO)效應

l  磁光(MO)效應

l  應力-光學(SO)效應

l  聲光(AO)效應

l  射線光學與波動光學的耦合


預定義的物理場介面:模擬光學過程和結構

 

波動光學模組提供一系列預定義的物理場介面,用於模擬各種微/奈米光學器件。

波動光學模組中的基於物理場建模介面:

l  電磁波,波束包絡

l  電磁波,頻域

l  電磁波,時域顯式

l  電磁波,瞬態

您還可以透過添加半導體模組,使用半導體光電子學,波束包絡和半導體光電子學,頻域介面。

使用“波動光學模塊”的基於物理場建模接口創建的模型示例。

透過三種不同的方式計算菲涅耳透鏡中的電場來進行驗證:菲涅耳近似、內置的電磁波,波束包絡物理場介面以及電磁波,頻域物理場介面。


物理場配置:定義場和表面的散射、週期性和不連續性

 

借助波動光學模組,您可以在二維、二維軸對稱和三維域中快速、輕鬆地建立模型,並使用內置的基本邊界條件和高級邊界條件執行模擬分析。

 

波動光學模組中的邊界條件:

l  端口

l  數值

l  解析形狀

l  用戶定義

l  具有任意衍射級的周期性端口

l  散射邊界條件

l  匹配邊界條件

l  週期性條件

l  Floquet Bloch 週期

l  過渡邊界條件

l  場連續性

l  通量/

l  完美電導體

l  完美磁導體

l  阻抗邊界條件

l  表面電流密度

l  表面磁流密度

l  電場

l  磁場

波動光學模組中的域層建模工具:

l  偏振

l  遠場分析

l  完美匹配層(PML

l  散射場公式

l  高斯光束

l  線偏振平面波

l  用戶定義

 

在COMSOL Multiphysics 中完成的散射建模示例。

在這個散射示例模型中,含半球體的六邊形光柵反射平面波。模擬結果包含由此產生的電場和衍射效率。


基於方程建模:描述獨特的光學材料

 

透過直接在軟體中修改材料定義、控制麥克斯韋方程組或邊界條件,您可以實現對模擬的完全控制。憑藉這種強大的靈活性,您可以創建各種用戶定義的材料,包括帶有工程屬性的超材料以及旋磁和手性材料。借助基於方程的建模功能,您可以為光學模擬定制精確的輸入輸出,而無需依賴假設或近似方法。

 

基於方程建模的靈活性支援以下內置材料和用戶定義的材料:

 

l  折射率

l  介電常數、磁導率和電導率

l  漸變折射率和復值折射率

l  頻率相關材料屬性

l  各向異性

l  有損耗

l  非線性

n  非均質

l  色散材料

n  Drude-Lorentz

n  Debye

n  Sellmeier

l  頻率變量

l  波長變量

l  旋磁材料

l  手性材料

l  帶有工程屬性的超材料

l  獲取各向異性的相關3x3 張量

l  具有更高階衍射模式的Floquet 週期結構

 


自動網格劃分幫助提高波動光學建模效率

波動光學模組具有網格自動生成功能來解析電磁現象的波長,並使用有限元法,結合最先進的求解器來進行求解。您可以使用多種類型的有限網格單元。

 

波動光學模組中的有限元網格類型包括:

l  四面體

l  六面體

l  棱柱

l  金字塔

l  三角形

l  四邊形

l  週期性

l  線性離散化、基於高階節點的離散化和邊單元離散化

l  四面體、棱柱、金字塔、六面體、三角形和四邊形單元的組合

在波動光學模型中使用物理場控製網格劃分的示例。

由兩個並列光波導構成的定向耦合器透過物理場控製網格劃分功能進行建模,其中使用掃掠網格來確定電場模。


各種數值方法和研究幫助理解和優化光學設計

波動光學模組提供一套全面的求解器和研究類型供您選擇,可幫助您得到經過驗證的數值解。此外,您還可以使用該模組進行特徵頻率、頻域、波長域和邊界模式分析。

 

波動光學模組中的數值方法:

l  基於有限元法的全波傳播

l  基於有限元法的波束包絡法

n  單向

n  雙向

 

波動光學模組中的研究類型:

l  特徵頻率

l  模式分析

l  基於頻率或波長

l  瞬態

l  自適應頻率掃描

使用“波動光學模塊”的內置研究類型的光學環形諧振腔模型示例。

透過對光學環形諧振腔模型運行兩個邊界模式分析和頻域研究,得到電場、反射率、透射率以及損耗。


後處理工具:透射和反射計算以及場物理量可視化

您可以使用波動光學模組提供的後處理工具,以直觀易懂的方式呈現仿真結果。這些工具可用於計算S 參數矩陣、透射屬性以及反射屬性,等等。不僅如此,該模組還提供許多高級工具,用於對任意場物理量執行可視化和後處理操作。

 

波動光學模組中的後處理特徵:

l  積分、計算和可視化

n  電場分量

n  磁場分量

n  能量

n  功率流

n  複合場物理量

n  功率損耗密度

l  提取

n  S 參數矩陣

n  透射和反射係數

使用“波動光學模塊”提供的後處理特徵的模型示例。

線光柵基本單元模型,使用Floquet 邊界條件定義週期;透過成倍增加基本單元來形成三維對象。其中還計算了透射係數、反射係數和一階衍射係數。


模擬App:定制模型輸入輸出,簡化設計流程

 

開發滿足實際應用的光子器件和光波導

如果您希望自己的光學結構或器件設計能夠在實際應用中具備優異的性能,就需要考慮各種類型的物理場對設計產生的影響。利用COMSOL Multiphysics ®軟體和附加的波動光學模組,您可以輕鬆地在一個模擬中對不同的物理效應進行耦合分析。

許多波動光學應用都涉及多個物理場,包括雷射加熱中的熱傳、應力光學中的結構力學以及半導體雷射器,等等。借助多物理場模擬,您可以將所有這些物理效應耦合到同一個建模環境中,進行綜合全面的模擬研究。

您的最終產品是否往往涉及多個物理領域?在COMSOL Multiphysics ®核心軟體平台上,您可以根據需要,將波動光學模組與任意模組搭配混合使用,所有附加模組均能實現無縫整合。這意味著,不論您為何種應用領域或物理場建模,都可以遵循同樣的建模工作流程。

激光加熱的三維模型。

半透明介質的激光加熱。圖中顯示材料的溫度和光強。

軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL MultiphysicsR軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

我們的業務與技術人員將根據您的需求,提供您完整的案例並協助您進行評估,以選擇最適合您的模組。

點選『聯絡我們』,填寫您的聯絡資料與產品的詳細需求後送出,我們將會盡快聯絡您!