Wave Optics Module

Mikro- und nanooptische Geräte analysieren

Das Wave Optics Module, ein Add-On zur COMSOL Multiphysics® Software-Plattform, wird von Ingenieuren und Wissenschaftlern verwendet, um die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und Resonanzeffekte in optischen Anwendungen zu verstehen, vorherzusagen und zu studieren. Durch die Analyse elektromagnetischer Feldverteilungen, Transmissions- und Reflexionskoeffizienten und der Verlustleistung in einem vorgeschlagenen Design führt diese Art der Simulation zu leistungsfähigeren und effizienteren Produkten und technischen Methoden.

Um Designs für photonische Bauelemente, integrierte Optik, Lichtwellenleiter, Koppler, Faseroptik und mehr zu optimieren, müssen Sie reale Szenarien berücksichtigen. Die Multiphysik-Modellierungsfunktionen der COMSOL Multiphysics® Software helfen Ihnen zu untersuchen, wie sich andere physikalische Faktoren auf optische Strukturen auswirken, z. B. spannungsoptische, elektrooptische und akusto-optische Effekte sowie elektromagnetische Erwärmung.

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Ein optisches Ringresonatormodell, das das elektrische Feld in der Farbtabelle Heat Camera zeigt.

Modellierung optisch großer Probleme mit der Strahleinhüllenden-Methode

Zusätzlich zu den traditionellen numerischen Methoden enthält das Wave Optics Module eine spezielle Strahleinhüllenden-Methode, mit der sich optisch große Bauteile mit weitaus weniger Rechenaufwand simulieren lassen als mit herkömmlichen Techniken. Zu den Anwendungen gehören Richtungskoppler, Faser-Bragg-Gitter, Linsensysteme, Wellenleiter, externe optische Systeme, Faserkopplungen, Laserdiodenstapel und Laserstrahlführungssysteme.

Die Strahleinhüllenden-Methode analysiert die sich langsam verändernde elektrische Feldeinhüllende für optisch große Simulationen, ohne sich auf Näherungswerte zu verlassen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden werden viel weniger Netzelemente benötigt, um jede sich ausbreitende Welle aufzulösen.

 

Was Sie mit dem Wave Optics Module modellieren können

Führen Sie verschiedene optische Analysen mit COMSOL® Software durch.

Nahaufnahme eines Glasfasermodells mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Optische Fasern

Modenanalyse und Wellenausbreitung in optischen Fasern.

Eine Nahaufnahme eines Strahlenmodells, das die spiralförmige Phasenverteilung zeigt.

Ausbreitung von Strahlen

Gaußsche oder ebene Wellenausbreitung in Dielektrika oder im freien Raum.

Nahaufnahme des Modells eines Gauß-Strahls, das sich durch einen Lichtleiter ausbreitet und in einem Zickzack-Muster dargestellt ist.

Wellenleiter

Berechnung der Transmissions- und Reflexionskoeffizienten von Wellenleitern.

Nahaufnahme des Modells eines Richtkopplers mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Wellenleiter-Koppler

Analyse der Feldkopplung zwischen nahe beieinander liegenden Wellenleitern.

Nahaufnahme eines Modells einer Gold-Nanosphäre, das die optische Streuung zeigt.

Optische Streuung

Streuung von ebenen Wellen und Gaußschen Strahlen.

Eine Nahaufnahme eines Drahtgitters auf einem dielektrischen Substrat, die die Norm des elektrischen Feldes zeigt.

Plasmonik

Elektromagnetische Anregungen von Oberflächen-Plasmonen und Plasmon-Polaritonen.

Eine Nahaufnahme eines photonischen Kristallmodells, das das elektrische Feld zeigt.

Photonische Kristalle

Photonische Kristalle und Bandlückenstrukturen.

Eine Nahaufnahme eines Laserstrahlmodells, das die Freqzenzverdopplung (second harmonic generation, SHG) zeigt.

Nichtlineare Optik

Erzeugung der zweiten Harmonischen, Selbstfokussierungseffekte und andere nichtlineare Effekte.

Nahaufnahme des Modells eines Laser-Resonators mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Laserresonatoren

Resonanzfrequenzen und Laserschwellen-Gain von Laserresonatoren.

Nahaufnahme eines hexagonalen Gittermodells mit sieben hervorstehenden Halbkugeln.

Gitter und Metamaterialien

Transmission, Reflexion und Beugung von Gittern, Metamaterialien und allgemeinen periodischen Strukturen.

Nahaufnahme eines photonischen Wellenleitermodells mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Spannungsoptische Effekte1

Auswirkungen der spannungsinduzierten Doppelbrechung in Wellenleitern.

Eine Nahaufnahme eines LED-Bauteils, die die Elektrolumineszenz-Emissionsrate zeigt.

Optoelektronik2

Emission, Absorption und Brechungsindexänderungen in optoelektronischen Geräten.

  1. Benötigt das Structural Mechanics Module oder MEMS Module
  2. Benötigt das Semiconductor Module

Eigenschaften und Funktionen des Wave Optics Module

Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften und Funktionen des Wave Optics Module, indem Sie die folgenden Abschnitte erweitern.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Elektromagnetische Wellen, Strahleneinhüllende und einem Fresnel-Linsenmodell im Grafikfenster.

Vollwellen-Elektromagnetik-Analysen

Mit dem Wave Optics Module können Sie schnell und einfach ein Modell in 2D-, 2D-achsensymmetrisch und 3D-Gebieten erstellen. Sowohl grundlegende als auch fortgeschrittene Randbedingungen sind für Ihre Analysen verfügbar.

Der Arbeitsablauf ist unkompliziert und kann im Allgemeinen durch die folgenden Schritte beschrieben werden: Erstellen oder Importieren der Geometrie, Auswählen von Materialien, Auswählen eines geeigneten Wave Optics-Physikinterfaces, Definieren von Rand- und Anfangsbedingungen, Definieren des Netzes, Auswählen eines Lösers und Visualisieren der Ergebnisse. Alle diese Schritte werden von der COMSOL Multiphysics® Umgebung aus durchgeführt. Die Einstellungen für die Vernetzung und den Solver erfolgen automatisch, wobei Optionen zur manuellen Bearbeitung zur Verfügung stehen.

Die Funktionalität des Wave Optics Module umfasst die Simulation von elektromagnetischen Feldern und Wellen auf der Grundlage der Maxwell-Gleichungen zusammen mit den Materialgesetzen für die Ausbreitung in verschiedenen Materialien. Der Zugriff auf die Modellierungsfunktionen erfolgt über integrierte Benutzeroberflächen, die es Ihnen ermöglichen, Wellenphänomene in optischen und photonischen Bauteilen zu analysieren.

Das Wave Optics Module ermöglicht die Modellierung im Frequenz- und Zeitbereich, einschließlich Eigenfrequenz- und Modenanalyse.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit hervorgehobenem Analytic-Knoten und einem Glasfasermodell im Grafikfenster.

Optische Materialien

Verwenden Sie Materialien aus der integrierten Datenbank für optische Materialien oder definieren Sie Ihre eigenen. Sie können die relative Dielektrizitätskonstante oder den Brechungsindex angeben und auch erweiterte Materialeigenschaften wie Debye-, Drude-Lorentz- und Sellmeier-Dispersion definieren. Materialien können sowohl anisotrop als auch funktionsabhängig sein.

Sie haben die volle Kontrolle über Ihre Simulation, indem Sie Materialdefinitionen, die maßgeblichen Maxwell-Gleichungen oder Randbedingungen direkt in der Software ändern. Diese Flexibilität ermöglicht es Ihnen, eine Vielzahl von benutzerdefinierten Materialien zu erstellen, einschließlich Metamaterialien mit speziellen Eigenschaften sowie gyromagnetische und chirale Materialien.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für den Surface-Knoten und ein plasmonisches Drahtgittermodell im Grafikfenster.

Datenvisualisierung und -export

Die Ergebnisse werden z.B. mit Hilfe von Diagrammen für elektrische und magnetische Felder, Reflexionsgrad, Transmissionsgrad, Beugungseffizienz, S-Parameter, Leistungsfluss und Verlustleistung dargestellt. Sie können auch Visualisierungen von nicht standardisierten Ausdrücken in Form von physikalischen Größen erstellen, die Sie frei definieren können. Dies ermöglicht einen tieferen Einblick, indem praktisch jeder Aspekt der Ergebnisse untersucht werden kann.

Eine Nahansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Polarisation-Knoten und einer 1D-Darstellung im Grafikfenster.

Nichtlineare Optik

Das Wave Optics Module bietet mehrere Funktionalitäten zur Simulation nichtlinearer Optik sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Im Frequenzbereich können Sie feldabhängige Materialeigenschaften für Phänomene wie Selbstfokussierung verwenden oder mehrere Analysen im Frequenzbereich miteinander koppeln, um die Mischung zwischen zwei oder mehr Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu modellieren, wie z. B. Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung. Durch die Einbeziehung nichtlinearer Polarisationsterme ermöglicht dieser Ansatz nichtlineare Simulationen mit Lasern mit kontinuierlicher Welle (CW) oder anderen quasistationären Phänomenen. Eine ähnliche Flexibilität gibt es im Zeitbereich, wo Polarisations- oder elektrische Rest-Verschiebungsterme modifiziert werden können, um fortgeschrittenere Modellierungsszenarien wie ultraschnelle Phänomene zu ermöglichen.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Port und einem 2D-Modell im Grafikfenster.

Randbedingungen

Die Modellierung elektromagnetischer Wellen erfordert hochspezialisierte Randbedingungen, einschließlich der Fähigkeit, unbegrenzte Gebiete sowie periodische Strukturen wie Metamaterialien zu modellieren. Die Modellierung eines periodischen Metamaterials erfordert beispielsweise periodische Ports, die mit beliebigen Einfallswinkeln und Beugungsordnungen umgehen können. Für die allgemeine Modellierung von Wellenleitern und optischen Fasern sind numerisch modenangepasste Ports erforderlich, um Wellenleiter korrekt mit einfallendem Licht anzuregen.

Wichtige Randbedingungen im Wave Optics Module

  • Perfekter elektrischer Leiter (PEC)
  • Impedanz (endliche Leitfähigkeit)
  • Übergang (dünne verlustbehaftete leitende Schicht)
  • Periodische Ports mit beliebiger Beugungsordnung
  • Floquet- oder Bloch-Periodizität
  • Streuende (absorbierende) Grenzen
  • Ports
    • Analytische Formen
    • Numerisch (modenangepasst)
Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Core und einem Modulator-Modell im Grafikfenster.

Multiphysik-Effekte in optischen Bauteilen

Das Wave Optics Module kann mit jedem anderen Modul kombiniert werden, um multiphysikalische Phänomene zu simulieren, die sich alle nahtlos in die zentrale COMSOL Multiphysics® Softwareplattform integrieren. Das bedeutet, dass Ihr Modellierungs-Workflow derselbe bleibt, unabhängig von dem Anwendungsbereich oder der Physik, die Sie modellieren.

Vielleicht möchten Sie die Auswirkungen der mechanischen Verformung auf die Eigenschaften Ihres Bauteils untersuchen, einschließlich spannungsoptischer Effekte. Ebenso können Sie untersuchen, wie sich Wärmeübertragung, thermische Belastung und Wärmeableitung auf ein Bauelement auswirken.

Darüber hinaus können Sie simulieren, wie verschiedene physikalische Phänomene für Modulationszwecke genutzt werden können, z. B. akusto-optische, elektro-optische und magneto-optische Effekte.

Durch die Kombination mit einer Massentransport-Simulation können Sie realistische Brechungsindexprofile mit anisotropen Diffusionskoeffizienten berechnen und die Ergebnisse in einer elektromagnetischen Analyse verwenden.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Diffraction Order und einem sechseckigen Gittermodell im Grafikfenster.

Periodische Strukturen

Periodische Strukturen sind von grundlegender Bedeutung für viele entwickelte elektromagnetische Strukturen für Anwendungen wie polarimetrische und Subwellenlängen-Bildgebung und diffraktive Optik. Im Wave Optics Module können Sie diese Strukturen, einschließlich ihrer Beugungsmoden hoher Ordnung, mit periodischen Floquet-Bedingungen und unterschiedlichen Beugungsordnungen modellieren. Mit diesen Features können Sie Elemente für Metasurfaces und andere flache Optiken präzise entwerfen.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen des Knotens Elektromagnetische Wellen, Frequenzbereich und zwei Grafikfenster.

Streuung

Genaue Streumodelle von Goldnanopartikeln lassen sich zum Beispiel leicht mit einer Streufeldformulierung realisieren. Bei diesem Ansatz bietet Ihnen das Wave Optics Module die Wahl zwischen einer einfallenden ebenen Welle, einem Gaußschen Strahl (sowohl mit als auch ohne paraxiale Annäherung) oder einer benutzerdefinierten Anregung und löst dann das durch die gewählte Anregung verursachte Streufeld. Der Simulationsbereich kann sich einem unendlichen Raum annähern, indem die ausgehende Strahlung durch perfekt angepasste Schichten (PMLs) absorbiert wird, die gleichzeitig Strahlung für eine Reihe von Frequenzen und Einfallswinkeln absorbieren. Mit Hilfe einer Nah-zu-Fernfeld-Transformation kann die Fernfeldstrahlung des Streuers analysiert werden.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um vollständig beurteilen zu können, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihre Anforderungen erfüllt, können Sie uns kontaktieren. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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