Волновая оптика

Анализ микро- и наноопических систем

Модуль «Волновая оптика» расширяет возможности программы COMSOL Multiphysics® и позволяет инженерам и исследователям анализировать, прогнозировать и оптимизировать оптические системы, в которых происходит распространение электромагнитных волн и проявляются резонансные электродинамические эффекты. Использование численного моделирования и удобный анализ получаемых распределений электромагнитных полей, удельных потерь, коэффициентов отражения и прохождения, а также других данных приведет к оптимизации инженерной разработки и научных исследований.

При проектировании систем фотоники, интегральной и волоконной оптики и других оптических устройств требуется воссоздание реалистичных условий. Мультифизические инструменты программы COMSOL Multiphysics® позволяют исследовать сопряженные оптомеханические, оптоэлектронные, акустооптические и тепловые эффекты в единой среде.

Связаться с COMSOL
Распределение электрического поля в модели оптического кольцевого резонатора, визуализация с помощью цветовой схемы Heat Camera.

Технология «Огибающая пучка» для моделирования протяженных систем

Помимо традиционных численных методов, в модуле «Волновая оптика» реализована технология «Огибающая пучка» (в англ. Beam Envelopes) для эффективного описания волновых процессов в протяженных оптических устройствах и системах. Данная уникальная технология позволяет значительно оптимизировать расход вычислительных ресурсов. Она может быть использована при моделировании комплексных волноводных систем, направленных ответвителей, волоконных брэгговских решёток, длиннофокусных линз, систем фокусировки и управления оптическим пучками, элементов лазерных диодов и т.п.

Технология «Огибающая пучка» подразумевает описание медленно меняющейся огибающей электрического поля в больших протяженных оптических моделях, при этом она не использует традиционные для данной сферы приближения и аппроксимации. Метод позволяет анализировать отдельные распространяющиеся волны с гораздо меньшим числом сеточных элементов.

 

Типовые области применения модуля «Волновая оптика»

Примеры оптических волновых задач, которые могут быть решены в программе COMSOL®.

Визуализация распределения электрического поля в микроструктурированном оптоволокне.

Модальный анализ

Определение распространяющихся мод оптоволоконных структур и других волноводов.

Распределение фазы в вихревом пучке.

Формирование распространение оптических пучков

Исследование распространения гауссовых пучков, плоских волн и других волновых фронтов в различных средах.

Визуализация гауссова пучка, распространяющегося в волноводе в режиме полного внутреннего отражения.

Волноводы

Расчёт коэффициентов отражения и прохождения для оптических волноводных устройств.

Электрическое поле в направленном ответвителе.

Волноводные ответвители

Анализ связи по полю между близкорасположенными волноводами.

Рассеяние на золотой сферической наночастице в оптическом диапазоне.

Оптическое рассеяние

Решения задач рассеяния оптических пучков.

Электрическое поле в плазмонной решетке.

Плазмоника

Возбуждение поверхностных плазмонных и плазмон-поляритонных волн, в т.ч. в периодических решетках.

Электрическое поле в волноводе на основе фотонного кристалла.

Фотонные кристаллы

Определение запрещенных зон фотонных кристаллов и метарешеток.

Генерация второй гармоники в нелинейной среде при распространении лазерного пучка.

Нелинейная оптика

Генерация второй гармоники, самофокусировка пучков и другие нелинейные эффекты.

Мода лазерного резонатора.

Лазерные резонаторы

Исследование резонансных эффектов и порогового усиления в оптических резонаторах.

Рассеяние на гексагональной дифракционной решетке.

Периодические решетки и метаматериалы

Прохождение, отражение и дифракция в различных периодических структурах.

Электрическое поле в сечении фотонного волновода.

Оптомеханика и фотоупругость1

Двойное лучепреломление в волноводах под действием механических напряжений.

Распределение коэффициента электролюминисценции в LED.

Оптоэлектроника2

Эмиссия, поглощение и изменение коэффициента рефракции в полупроводниковых свето- и фотодиодах.

  1. Дополнительно требуется модуль "Механика конструкций" или "MEMS"
  2. Дополнительно требуется модуль "Полупроводники"

Основные функциональные возможности модуля «Волновая оптика»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «Волновая оптика» для типовых приложений.

Скриншот интерфейса ПО: В дереве модели выбран узел интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes, в графическом окне визуализирована модель линзы Френеля.

Полноволновой электромагнитный анализ

Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют с минимумом усилий создавать 2D, 2D осесимметричные и 3D модели. Доступен большой набора фундаментальных и продвинутых граничных условий.

Рабочий процесс построения модели прямолинеен и типичен для программы: создание или импорт геометрии, задание материалов и их моделей, выбора подходящего физического интерфейса из группы Wave Optics, настройка граничных и начальных условий, генерация конечно-элементной сетки, выбор исследования и решателя, постобработка результатов расчёта. Все эти этапы доступны через UI COMSOL Multiphysics®, в т.ч. их настройки можно редактировать вручную.

Функционал модуля «Волновая оптика» рассчитан на моделирование электромагнитных волновых процессов в оптических и фотонных системах на основе уравнений Максвелла в различных средах с типовыми для индустрии моделями материалов. Поддерживаются исследования в частотной и временной области, а также модальный анализ и анализ на собственные значения.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбраны настройки свойств материалов, в графическом окне визуализирован график зависимости коэффициента рефракции жилы оптоволокна от радиальной координаты и длины волны.

Оптические материалы

При построении моделей можно использовать данные материалов из встроенной библиотеки или указать свои. Обычно заданы или задаются относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости или коэффициент рефракции. Также можно использовать готовые модели материала с заданием дисперсии по Дебаю, Друде-Лоренцу или Зельмееру. При настройке модели вы можете задавать как линейные и изотропные свойства, так и неоднородные, анизотропные, нелинейные и дисперсионные соотношения.

Гибкость настроек программы позволяет модифицировать свойства материалов и граничные условия, что может быть полезно при описании пользовательских материалов, метаматериалов, гиромагнитных и хиральных сред.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбраны настройки графика типа Surface, в графическом окне показана визуализация для модели плазмонной решетки.

Визуализация и экспорт данных

После проведения расчётов вы можете использовать предустановленные графики для визуализации распределений электрических и магнитных полей, коэффициентов отражения и прохождения, потока мощности, потерь, характеристик в дальней зоне и т.п. Вы также можете выводить в виде графиков или таблиц любые пользовательские выражения для получения исчерпывающей информации о поведении исследуемой системы.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Polarization, в графическом окне показан график распределения плотности фотонов основной и второй гармоники в среде.

Нелинейная оптика

Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют описывать нелинейные оптические эффекты как во временной, так и в частотной области. В частотной области вы можете задать частотно-зависимые свойства материалов и учесть эффекты самофокусировки, вы также можете задать несколько физических интерфейсов, связать их между собой через поляризацию и оценивать смешивание частот, в т.ч. генерацию суммарной или разностной частоты в лазерах непрерывного излучения. Схожий функционал для расчётов во временной области позволит дополнительно исследовать импульсные и сверхскоротечные режимы.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделено ГУ Port, в графическом окне визуализировано распределение поля в метаматериале.

Графичные условия

Для высокоточного моделирования э/м волновых процессов требуется большой набор граничных условий, позволяющих описывать открытые задачи, периодичность, возбуждение и согласование определенной моды на границе волновода и т.п. Например, при моделировании периодических структур и метаматериалов требуются т.н. периодические порты, позволяющие описывать различные дифракционные порядки на отражение и прохождение в системе. При моделировании оптических волноводов и оптоволоконных систем требуются т.н. числовые порты, позволяющие возбудить и согласовать предварительно рассчитанную моду на торце устройства.

Список ключевых ГУ, доступных в модуле «Волновая оптика»

  • Идеальный электрический проводник (PEC)
  • Импеданс (граница с конечной проводимостью)
  • Трансферный импеданс (тонкий проводящий слой или набор слоев)
  • Условия периодичности (в т.ч. по Флоке)
  • Рассеивающие или поглощающие границы
  • Порты
    • С заданием моды на основе аналитических выражений
    • С предварительным расчётом профиля и х-к моды (Numeric)
    • Периодические с заданием дифракционных порядков (Periodic)
Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел материала Core, в графическом окне показано распределение поля в модуляторе Маха-Цендера.

Мультифизика в оптических системах

Инструменты модуля «Волновая оптика» могут быть использованы совместно с возможностями других модулей программы COMSOL Multiphysics® для моделирования различных мультифизических эффектов. При этом логика построения модели останется прежней.

Вы можете учитывать эффекты механических деформаций на распространение электромагнитных волн. Помимо оптомеханических задач можно исследовать термические эффекты, в т.ч. потери и сопряженный нагрев.

Кроме того, доступна возможность описания акустооптических, электрооптических и магнитооптических эффектов.

При сопряжении с расчётом транспортных уравнений можно учитывать реалистичные анизотропные распределения коэффициента рефракции в различных средах.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выбран подузел Diffraction Order, в графическом окне визуализирована модель гексагональной дифракционной решетки.

Периодические структуры

Периодические решётки — базовый элемент многих систем формирования изображения и дифракционной оптики. Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют эффективно и успешно моделировать такие системы, описывая уникальные ячейки с периодическими условиями по Флоке на границах и возможностью учёта высших дифракционных порядков на отражение и прохождение. С их помощью можно исследовать метаповерхности и планарные оптические системы.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел интерфейса Electromagnetic Waves, Frequency Domain, в графическом окне показан результат рассеяния гауссова пучка на решетке золотых проволок.

Задачи рассеяния

В модуле «Волновая оптика» доступна т.н. формулировка рассеянного поля для эффективного описания и моделирования рассеяния на различных наночастицах. Вы можете задать плоскую волну, Гауссов пучок (на основе параксиального приближения и на основе метода углового спектра) и пользовательское выражение в качестве падающей фоновой волны и решать задачу относительно только рассеянной компоненты поля. Открытые границы при этом могут быть описаны с помощью эффективного поглощающего условия типа PML. На выходе можно проводит анализ характеристик рассеивателей в ближней и дальней зоне.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты