Simulationssoftware zur Optimierung optischer Geräte

Simulation kann eingesetzt werden, um optische Systementwürfe mit experimentellen Daten und Theorie zu validieren. Herkömmliche Simulationsmethoden für optisch große Strukturen, bei denen die Geometrie viel größer ist als die elektromagnetische Wellenlänge, können jedoch rechenintensiv und zeitaufwändig sein. Das Wave Optics Module, ein Add-On zur Plattform-Software COMSOL Multiphysics®, ist eine effiziente Wahl für Ihre optischen Modellierungsanforderungen.

Das Wave Optics Module beinhaltet eine spezielle Strahleinhüllmethode, mit der optisch große Bauteile mit weitaus weniger Rechenaufwand als mit herkömmlichen Methoden simuliert werden können. Für die Modellierung optischer Systeme stehen Funktionen zur Verfügung, wie z.B. die Bereichspolarisation, die für die nichtlineare Wellenausbreitung nützlich ist. Die Materialbibliothek enthält Dispersionsrelationen für die Brechungsindizes von mehr als 1400 Materialien, darunter eine große Anzahl von Gläsern für Linsen, Halbleitermaterialien und andere Bereiche.

Um Designs für photonische Bauelemente, integrierte Optiken, Lichtwellenleiter, Koppler, Faseroptiken und mehr zu optimieren, müssen Sie reale Szenarien berücksichtigen. Mit den multiphysikalischen Modellierungsmöglichkeiten der COMSOL® Software können Sie untersuchen, wie sich andere Physik auf optische Strukturen auswirkt, z.B. Laserheizung, Ladungsträgertransport in Halbleitern und spannungsoptische Effekte.

Modellieren Sie optisch große Fragestellungen mit der Strahleinhüllende-Methode

Die Wellenoptik erfordert eine numerische Methode, die komplexe Probleme effizient modellieren und lösen kann. Die Strahleinhüllende-Methode analysiert die sich langsam ändernde elektrische Feldhüllkurve für optisch große Simulationen, ohne sich auf traditionelle Annäherungen zu verlassen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden sind wesentlich weniger Netzelemente erforderlich, um jede sich ausbreitende Welle aufzulösen.

Wußten Sie bereits? Die Strahleinhüllende-Methode (Beam Envelope Method) ist eine Simulationsmethode für die Lasererwärmung und löst exakt Felder und Verluste in der Nähe des Fokus des Strahls, wenn der beheizte Bereich im Vergleich zur Wellenlänge groß ist.

Die Strahleinhüllende-Methode ist eine effiziente und zuverlässige Wahl für Wellenoptik-Simulationen. Ebenso wichtig ist, dass das Wave Optics Module eine traditionelle Vollwellenausbreitungsmethode bietet, die auf der direkten Diskretisierung der Maxwell-Gleichungen basiert. Beide Methoden basieren auf der Finite-Elemente-Methode (FEM).

 

Was Sie mit dem Wave Optics Module erhalten

Das Wave Optics Module bietet in Kombination mit der Kernfunktionalität der COMSOL Multiphysics® Softwareplattform Funktionen für die spezielle Wellenoptik-Modellierung.

Das Wave Optics Module enthält Werkzeuge zur Modellierung von:

  • Photonische Geräte
  • Integrierte Optiken
  • Lichtwellenleiter
  • Kupplungen
  • Faseroptiken
  • Photonische Kristalle
  • Nichtlineare Optik
  • Oberschwingungserzeugung mit Frequenzmischung
  • Laser
    • Stablaser
    • Slab-Laser
    • Scheibenlaser
    • Halbleiterlaser
    • Laser-Heizung
    • Laserstrahlausbreitung
  • Plasmonen und Plasmonik-Bauteile
  • Gitternetze
    • Faser-Bragg-Gitter
    • Sechskantgitter
  • Streuung
    • Optische Streuung
    • Oberflächenstreuung
    • Nanopartikelstreuung
  • Polaritonen
  • Terahertz-Geräte
  • Verstärker
  • Optische Lithographie
  • Optoelektronik
  • Optische Sensoren
  • Metamaterialien
  • Holografische Datenspeicherung
  • Graphen
Ein Modell eines photonischen Kristall-Wellenleiters, erstellt mit dem Wave Optics Module. Ein photonischer Kristallwellenleiter, bei dem ein photonischer Bandabstand erhalten wird, so dass sich nur Wellen eines bestimmten Frequenzbereichs ausbreiten können.

Multiphysik-Kopplungen:

Im Wave Optics Module enthalten:

  • Laser-Erwärmung

Mit zusätzlichen Modulen verfügbar:

  • Optoelektronik einschließlich Halbleiterphysik
  • Leistungsänderungen der Bauteile durch Strukturverformung, Spannung und Wärmeausdehnung
  • Elektrooptische (EO) Effekte
  • Magnetooptische (MO) Effekte
  • Spannungsoptische (SO) Effekte
  • Akustooptische (AO) Effekte
  • Strahlenoptik gekoppelt mit Wellenoptik

Wave Optics Module Features und Funktionalität

Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften und Funktionalität des Wave Optics Module, indem Sie die folgenden Abschnitte erweitern.
Das Wave Optics Module enthält eine Auswahl an vordefinierten Physik-Interfaces zur Modellierung einer breiten Palette von mikro- und nano-optischen Bauelementen.

Wußten Sie bereits? Ein Physik-Interface ist eine Benutzeroberfläche für einen bestimmten physikalischen Bereich, der Gleichungen zusammen mit Einstellungen für die Netzgenerierung, Löser, Visualisierung und Ergebnisse definiert.

Physikbasierte Modellierungsschnittstellen im Wave Optics Module:

  • Elektromagnetische Wellen, Strahleinhüllende
  • Elektromagnetische Wellen, Frequenzbereich
  • Elektromagnetische Wellen, Zeit-Explizit
  • Elektromagnetische Wellen, Zeitabhängig

Sie können auch auf die Interfaces Halbleiter-Optoelektronik, Strahleinhüllende und Halbleiter-Optoelektronik, Frequenzbereich zugreifen, indem Sie das Semiconductor Module hinzufügen.

Ein Beispiel für ein Modell, das mit physikbasierten Modellierungsinterfaces im Wave Optics Module erstellt wurde.

Das elektrische Feld in einer Fresnellinse wird auf drei verschiedene Arten zur Überprüfung berechnet: Die Fresnel-Approximation, das integrierte Interface Elektromagnetische Wellen, Strahleinhüllende und das Interface Elektromagnetische Wellen, Frequenzbereich.

Mit dem Wave Optics Module können Sie schnell und einfach ein Modell in 2D-, 2D-achsensymmetrischen und 3D-Bereichen erstellen. Für Ihre Analysen können sowohl grundlegende als auch fortgeschrittene Randbedingungen berücksichtigt werden.

Randbedingungen im Wave Optics Module:

  • Port
  • Numerisch
  • Analytische Formen
  • Benutzerdefiniert
  • Periodische Ports mit beliebigen Beugungsordnungen
  • Streuende Randbedingung
  • Angepasste Randbedingung
  • Periodische Bedingung
  • Floquet- oder Bloch-Periodizität
  • Übergangs-Randbedingung
  • Feldkontinuität
  • Fluss/Quelle
  • Idealer elektrischer Leiter
  • Idealer magnetischer Leiter
  • Impedanz-Randbedingung
  • Oberflächenstromdichte
  • Magnetische Oberflächenstromdichte
  • Elektrisches Feld
  • Magnetisches Feld

Werkzeuge zur Modellierung auf Bereichsebene im Wave Optics Module:

  • Polarisation
  • Fernfeldanalyse
  • Perfekt abgestimmte Schichten (PMLs)
  • Streufeld-Formulierung
  • Gaußscher Strahl
  • Linear polarisierte ebene Welle
  • Benutzerdefiniert
Ein Beispiel für die Modellierung der Streuung in COMSOL Multiphysics®. Ein hexagonales Gitter mit Halbkugeln reflektiert eine ebene Welle in diesem Streubeispielmodell. Die Ergebnisse sind das daraus resultierende elektrische Feld und die Beugungseffizienz.

Übernehmen Sie die volle Kontrolle über Ihre Simulation, indem Sie Materialdefinitionen, die Maxwell-Gleichungen oder Randbedingungen direkt in der Software ändern. Diese Flexibilität ermöglicht es Ihnen, eine Vielzahl von benutzerdefinierten Materialien, einschließlich Metamaterialien, mit technischen Eigenschaften sowie gyromagnetische und chirale Materialien zu erstellen. Die gleichungsbasierte Modellierung ermöglicht es, die für eine optische Simulation benötigten Ein- und Ausgaben exakt anzupassen, ohne auf Annahmen oder Annäherungen angewiesen zu sein.

Gleichungsbasierte Modellierungsflexibilität mit integrierten und benutzerdefinierten Materialien für:

  • Brechungsindex
  • Permittivität, Permeabilität und Leitfähigkeit
  • Gradierter und komplexwertiger Index
  • Frequenzabhängige Materialeigenschaften
  • Anisotropie
  • Verlustbehaftet
  • Nichtlinear
    • Inhomogen
  • Dispersive Materialien
    • Drude-Lorentz
    • Debye
    • Sellmeier
  • Frequenzvariablen
  • Wellenlängenvariablen
  • Gyromagnetische Materialien
  • Chirale Materialien
  • Metamaterialien mit technischen Eigenschaften
  • Zugang zum jeweiligen 3 x 3 Tensor für anisotrope Eigenschaften
  • Floquet-periodische Strukturen mit Beugungsformen höherer Ordnung
 
Das Wave Optics Module bietet eine automatische Netzgenerierung, die die Wellenlängen elektromagnetischer Phänomene mittels FEM in Verbindung mit modernsten Lösern auflöst. Es stehen verschiedene Arten von Finite-Elemente-Netzelementen zur Verfügung.

Wußten Sie bereits? Wenn Sie den Wellenvektor oder die Phasenfunktion überall in Ihrer Simulation kennen, können Sie die Anzahl der Netzelemente, die zur Lösung Ihres Modells benötigt werden, mit Hilfe der Strahleinhüllende-Methode drastisch reduzieren.

Finite-Elemente-Netzarten im Wave Optics Module:

  • Tetraedrisch
  • Hexaedrisch
  • Prismatisch
  • Pyramidenförmig
  • Dreieckig
  • Viereckig
  • Periodisch
  • Knoten- und Kantenelementdiskretisierungen, linear und höherer Ordnung
  • Kombinationen aus tetraedrischen, prismatischen, pyramidalen, hexaedrischen, dreieckigen und viereckigen Elementen
Ein Beispiel für die Verwendung physikalisch gesteuerter Vernetzung in einem Wellenoptikmodell. Ein Richtkoppler, der aus zwei nebeneinander liegenden Lichtwellenleitern besteht, wird mit Hilfe eines Sweep-Netzes modelliert, um die elektrische Feldnorm zu bestimmen.

The Wave Optics Module includes a comprehensive selection of solvers and study types to find verified numerical solutions. Eigenfrequency, frequency-domain, wavelength-domain, and boundary mode analyses are also available.

Das Wave Optics Module beinhaltet eine umfassende Auswahl an Lösern und Studientypen, um verifizierte numerische Lösungen zu finden. Eigenfrequenz-, Frequenz-, Wellenlängen- und Randmodenanalysen sind ebenfalls verfügbar.

Numerische Methoden im Wave Optics Module:

  • FEM-basierte Vollwellenausbreitung
  • FEM-basierte Strahleinhüllendenmethode
    • Unidirektional
    • Bidirektional

Studientypen im Wave Optics Module:

  • Eigenfrequenz
  • Modalanalyse
  • Frequenz- oder Wellenlängenbasiert
  • Zeitabhängig
  • Adaptiver Frequenz-Sweep
Ein Beispiel für ein optisches Ringresonatormodell, das Studientypen verwendet, die mit dem Wave Optics Module verfügbar sind. In diesem optischen Ringresonator werden zwei Randmoden-Analysen und eine Frequenzbereichsstudie durchgeführt, um das elektrische Feld und den Reflexionsgrad, den Transmissionsgrad und den Verlust zu ermitteln.

Präsentieren Sie Ihre Simulationsergebnisse in einem übersichtlichen und leicht verständlichen Format. Die im Wave Optics Module enthaltenen Postprocessing-Tools ermöglichen die Berechnung von S-Parameter-Matrizen, Transmissions- und Reflexionseigenschaften und mehr. Es gibt auch fortgeschrittene Werkzeuge zur Visualisierung und Nachbearbeitung beliebiger Feldgrößen.

Postprocessing-Funktionen im Wave Optics Module:

  • Integrieren, Auswerten und Visualisieren
    • Elektrische Feldkomponenten
    • Magnetfeldkomponenten
    • Energie
    • Leistungsfluss
    • Zusammengesetzte Feldgrößen
    • Verlustleistungsdichten
  • Extrahieren
    • S-Parameter-Matrizen
    • Transmissions- und Reflexionskoeffizienten
Ein Beispiel für ein Modell, das die Nachbearbeitungsfunktionen des Wave Optics Module nutzt. Eine Drahtgitter-Einheitszelle wird modelliert, wobei Floquet-Randbedingungen die Periodizität definieren. Die Einheitszelle wird zu einem 3D-Objekt vervielfacht. Die Transmissions-, Reflexions- und Beugungskoeffizienten erster Ordnung werden ebenfalls berechnet.

Denken Sie an die Zeit und Energie, die Sie für neue Projekte aufwenden könnten, wenn Sie nicht für andere in Ihrem Team wiederholte Simulationstests durchführen müssten. Mit dem Application Builder können Sie Simulations-Apps erstellen, die den Simulationsablauf weiter vereinfachen, indem Sie die Eingaben einschränken und die Ausgaben Ihres Modells so steuern, dass Ihre Kollegen eigene Analysen durchführen können.

Mit Apps können Sie einen Designparameter, wie z.B. die Wellenlänge in einer Komponente, einfach ändern und beliebig oft testen, ohne die gesamte Simulation erneut ausführen zu müssen. Sie können Apps verwenden, um Ihre eigenen Tests schneller auszuführen, oder Apps an andere Mitglieder Ihres Teams verteilen, um sie ihre eigenen Tests durchführen zu lassen, was Ihre eigenen Ressourcen weiter entlastet.

Das Verfahren ist einfach:

  1. Verwandeln Sie Ihr Wellenoptikmodell in eine spezialisierte Benutzeroberfläche (eine App).
  2. Passen Sie die App an Ihre Bedürfnisse an, indem Sie Ein- und Ausgänge für die Benutzer der App auswählen.
  3. Benutzen Sie das [COMSOL Server™]](/comsol-server)-Produkt, um die App an andere Mitglieder Ihres Teams zu verteilen.
  4. Ermöglichen Sie Ihrem Team, eigene Designanalysen ohne weitere Unterstützung durchzuführen.

Sie können die Möglichkeiten der Simulation in Ihrem Team, Ihrer Organisation, Ihrem Schulungsraum oder Ihrer Kunden- oder Zulieferer erweitern, indem Sie Simulations-Apps erstellen und verwenden.

Ein Beispiel für eine spezielle App zur Analyse eines polarisierenden Strahlteilers. Ein Gauß'scher Strahl durchläuft zwei Glasprismen, die durch einen Stack aus alternierenden Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex getrennt sind. Die Welle wird entweder reflektiert oder nicht, abhängig von den vom Anwender gewählten Design- und Simulationsparametern.

Entwicklung photonischer Bauelemente und optischer Wellenleiter für die reale Welt

Wenn Sie wollen, dass das Design Ihrer optischen Struktur oder Ihres Geräts in der realen Welt funktioniert, müssen Sie untersuchen, wie sich andere Arten von Physik darauf auswirken. Koppeln Sie verschiedene physikalische Effekte in einer Analyse mit der COMSOL Multiphysics® Software und dem Wave Optics Module.

Viele Anwendungen der Wellenoptik beinhalten mehrere physikalische Aspekte, darunter die Wärmeübertragung bei der Lasererwärmung, Strukturmechanik in der Spannungsoptik und Halbleiterlaser, um nur einige zu nennen. Mit der Multiphysik-Simulation können Sie all diese physikalischen Effekte in die gleiche Modellierungsumgebung für eine umfassende Simulationsforschung einbinden.

Gibt es einen anderen Bereich der Physik, der Ihr Endprodukt beeinflusst? Kombinieren Sie das Wave Optics Module mit jedem beliebigen Modul, das sich nahtlos in die Softwareplattform COMSOL Multiphysics® integrieren lässt. Dies bedeutet, dass Ihr Modellierungs-Workflow unabhängig vom Anwendungsbereich oder der Physik, die Sie modellieren, gleich bleibt.

3D-Modell einer Lasererwärmung. Lasererwärmung eines halbtransparenten Mediums. Gezeigt werden die Temperatur und die Lichtintensität im Material.

Nächster Schritt:
Eine Software-Demonstration
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Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.