Wave Optics Module

Zur Simulation der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in optisch großen Strukturen

Wave Optics Module

Richtkoppler, der aus zwei interagierenden Wellenleitern besteht

Simulieren von optischen Komponenten

Das Wave Optics Module stellt spezielle Werkzeuge zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in linearen und nicht linearen optischen Medien bereit, um Komponenten präzise simulieren und die optische Bauform optimieren zu können. Mit diesem Modul können Sie Simulationen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen in Frequenz- oder Zeitbereichen in optischen Strukturen modellieren. Außerdem erweitert das Modul Ihre Möglichkeiten zum Modellieren von optischen Medien, indem es inhomogene und vollständig richtungsabhängige Materialien sowie optische Medien mit Verstärkungen oder Verlusten unterstützt. Im Wave Optics Module sind verschiedene 2D- und 3D-Ansätze zur Eigenfrequenzanalyse sowie zur elektromagnetischen Simulation von Frequenz- und Zeitbereichen verfügbar. Sie können die auftretenden Phänomene mit Nachbearbeitungswerkzeugen berechnen, visualisieren und analysieren, zum Beispiel das Berechnen von Übertragungs- und Reflexionskoeffizienten.

Analysieren aller Arten von optischen Medien

Optische Sensoren, Metamaterialien, Glasfasern, bidirektionale Koppler, plasmonische Strukturen, nicht lineare optische Prozesse in Photonik sowie Laserstrahlausbreitungen lassen sich unkompliziert simulieren. Solche Simulationen können in 2D-, achsensymmetrischen 2D- und 3D-Raumgebieten vorgenommen werden. Es können Anschlüsse für Eingänge und Ausgänge sowie für die automatische Extrahierung von S-Parameter-Matrizen definiert werden, die alle Transmissions- und Reflexionseigenschaften einer optischen Struktur mit möglicherweise mehreren Anschlüssen enthalten. Es kann eine Vielzahl von Randbedingungen angewendet werden, um Streuungs-, periodische und Unstetigkeitsrandbedingungen zu simulieren. PMLs (Perfectly Matched Layers) sind ideal für ein Simulieren der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in einem unbegrenzten freien Raum, wobei die Berechnungskosten niedrig gehalten werden. Die Nachbearbeitungsfähigkeiten ermöglichen ein Visualisieren, Auswerten und Integrieren von nahezu jeder erdenklichen Größe, da Sie mathematische Ausdrücke von Feldern und abgeleiteten Größen frei kombinieren können.

Weitere Bilder

  • Ein Gauß-Strahl wird in ein optisches BK7-Glas eingeleitet, in dem der Brechungsindex in der Fasermitte am größten ist und so den Beugungseffekten entgegenwirkt und den Strahl tatsächlich fokussiert. Die Abbildung zeigt eine komprimierte Ansicht und das wahre Größenverhältnis der Glasfaser, die in der Simulation verwendet wird. Ein Gauß-Strahl wird in ein optisches BK7-Glas eingeleitet, in dem der Brechungsindex in der Fasermitte am größten ist und so den Beugungseffekten entgegenwirkt und den Strahl tatsächlich fokussiert. Die Abbildung zeigt eine komprimierte Ansicht und das wahre Größenverhältnis der Glasfaser, die in der Simulation verwendet wird.
  • Energiedichte in einem Fabry-Perot-Resonator über einen Frequenzbereich. Hiermit können Sie die Resonanzfrequenzen und den Gütefaktor Q berechnen. Energiedichte in einem Fabry-Perot-Resonator über einen Frequenzbereich. Hiermit können Sie die Resonanzfrequenzen und den Gütefaktor Q berechnen.
  • Eine goldene Kugel wird mit einer ebenen Welle angestrahlt, und die Streuung wird gemessen. Das Muster der Fernfeldstrahlung in der E-Ebene (blau) und H-Ebene (grün) wird zusammen mit den resistiven Wärmeverlusten gezeigt. Eine goldene Kugel wird mit einer ebenen Welle angestrahlt, und die Streuung wird gemessen. Das Muster der Fernfeldstrahlung in der E-Ebene (blau) und H-Ebene (grün) wird zusammen mit den resistiven Wärmeverlusten gezeigt.

Eine Auswahl an Werkzeugen zum Vereinfachen von optischen Simulationen

Mit dem Wave Optics Module können optische Medien mit inhomogenen, richtungsabhängigen, nicht linearen und dispersiven Materialeigenschaften simuliert werden, wie etwa Leitfähigkeit, Brechungsindex, Permittivität oder Permeabilität. Hierfür gibt COMSOL Multiphysics Ihnen Zugriff auf den dazugehörigen 3x3-Tensor, wenn die jeweilige Eigenschaft richtungsabhängig ist, und ermöglicht Ihnen die Eingabe von beliebigen algebraischen Gleichungen für diese Materialeigenschaften für nicht lineare, inhomogene und dispersive Materialen. Für Sweeps über Wellenlänge oder Frequenz können Sie Materialeigenschaften definieren, die Ausdrücke in Abhängigkeit von Frequenz oder Wellenlängen enthalten. Diese Flexibilität hinsichtlich des Zugriffs auf die zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen, in denen die Materialeigenschaften beschrieben sind, macht das Wave Optics Module zu dem perfekten Werkzeug für das Modellieren schwer zu beschreibender Materialien, beispielsweise gyromagnetischer und Metamaterialien mit künstlich erzeugten Eigenschaften. Das Modul umfasst außerdem nützliche Funktionen zum Simulieren von periodischen Floquet-Strukturen mit Beugungsmodi höherer Ordnung und Gradientenindex-Materialien.

Untersuchen der Auswirkungen anderer Phänomene auf optische Wellen

So wie alle COMSOL-Produkte fügt sich das Wave Optics Module nahtlos in COMSOL Multiphysics und die anderen Erweiterungsmodule ein. Diese Integration ermöglicht es Ihnen, andere physikalische Effekte mit der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen zu koppeln. Beispielsweise können Sie eine Lasererwärmung oder die Auswirkungen überwachen, die strukturbezogene Spannungen und Verformungen auf die Ausbreitung von Licht durch optische Geräte und Komponenten haben.

Präzise optische Modellierung mit der innovativen Beam Envelope Methode

In zeitabhängigen Untersuchungen einer Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird häufig davon ausgegangen, dass alle zeitbezogenen Schwankungen als sinusförmige Signale auftreten, wodurch das Problem im Frequenzbereich zeitharmonisch wird. Das Wave Optics Module umfasst mehrere Interfaces, mit denen solche Phänomene simuliert werden können. Sie können auch nicht lineare Probleme simulieren, bei denen die Signalverzerrung klein ist, da das Modul entsprechende Funktionen beinhaltet. Ist der nicht lineare Einfluss groß, ist eine vollständige zeitabhängige Untersuchung des Geräts erforderlich.

Wenn Ausbreitungsprobleme optischer Wellen mit herkömmlichen Methoden gelöst werden, sind sehr viele Elemente erforderlich, um jede sich ausbreitende Welle aufzulösen. Es sind immer kleine Wellenlängen zu berücksichtigen, wenn eine Lichtausbreitung simuliert wird. Üblicherweise sind sehr umfangreiche Rechnerressourcen erforderlich, wenn Komponenten und Geräte modelliert werden, die im Vergleich zur Wellenlänge groß sind. Im Wave Optics Module werden diese Simulationstypen stattdessen mit der innovativen Beam Envelope Methode gelöst.

Diese neuartige Methode zur vollständigen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ermöglicht durch direkte Diskretisierung der Maxwell-Gleichungen auf herkömmliche Näherungen zu verzichten. In diesem Fall wird das elektrische Feld als das Produkt einer sich langsam ändernden Einhüllenden und einer sich schnell ändernden exponentiellen Phasenfunktion formuliert. Hierdurch werden genaue Simulationen von optisch großen Systemen ermöglicht, bei denen die geometrischen Abmessungen viel größer sein können als die Wellenlänge und bei denen eine Lichtwellennäherung durch Strahlen nicht möglich ist. Die herkömmliche Methode zur vollständigen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist im Wave Optics Module ebenfalls verfügbar und kann entsprechend für kleinere Geometrien verwendet werden.

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

Surface Plasmon Resonance

A 100-Fold Improvement in Lithography Resolution Realized with a 150-Year-Old “Perfect Imaging” System

Plasmonic Wire Grating

Self-Focusing of an Optical Beam

Mach-Zehnder Modulator

Directional Coupler

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Photonic Crystal

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial

Nanorods

Defining a Mapped Dielectric Distribution of a Metamaterial Lens

Fabry-Perot Cavity