Семейство продуктов COMSOL®

Программный пакет для моделирования и оптимизации оптических устройств

Моделирование позволяет проводить валидацию разработок оптических систем, опираясь на экспериментальные данные и теорию. Однако в случае больших оптических структур (имеющих размеры, значительно превышающие длину электромагнитных волн) традиционные методы моделирования отличаются высокой вычислительной сложностью и требуют много времени. Модуль Волновая оптика как расширение программного пакета COMSOL Multiphysics® — отличный выбор для проведения оптических расчетов.

В модуль Волновая оптика включен интерфейс на основе специальной методики огибающей пучка, которая позволяет моделировать большие оптические устройства и требует гораздо меньше вычислительных ресурсов, чем традиционные методы. В модуле также доступен функционал для моделирования нелинейного распространения волн, в т.ч. через задание поляризации доменов. Библиотека материалов включает дисперсионные соотношения для показателей преломления более чем 1400 материалов, включая различные виды стекол, применяемых в линзах, полупроводниковых и других материалах.

При разработке фотонных устройств, интегральной оптики, оптических волноводов, разветвителей, волоконной оптики и других устройств, необходимо учитывать реальные условия работы. Мультифизический функционал, доступный в программном пакете COMSOL®, дает возможность изучать, как другие физические явления, такие как лазерный нагрев, перенос носителей заряда в полупроводниках и упругооптические явления, влияют на оптические структуры.

Моделирование больших протяженных оптических структур с помощью методики огибающей пучка (Beam Envelope)

Для задач волновой оптики требуется численный метод, позволяющий эффективно моделировать и решать сложные задачи. Методика огибающей пучка (Beam Envelope) применяется для описания медленно меняющейся огибающей электрического поля в больших протяженных оптических моделях, при этом она не использует традиционные приближения и аппроксимации. Метод позволяет анализировать отдельные распространяющиеся волны с гораздо меньшим числом элементов сетки По сравнению с традиционными методами такой подход позволяет использовать гораздо меньшее число конечных элементов для разрешения каждой распространяющейся в среде волны.

Did You Know? Метод огибающей пучка — это метод моделирования лазерного нагрева, который позволяет точно рассчитывать поля и потери вблизи фокуса пучка, в случаях когда нагреваемая область велика по сравнению с длиной волны.

Таким образом методика на основе огибающей пучка — эффективный и надежный выбор для моделирования в области волновой оптики. Что не менее важно, модуль Волновая оптика включает традиционный полноволновый подход, основанный на прямой дискретизации уравнений Максвелла. Обе этих методики используют в своей основе метод конечных элементов (МКЭ).

 

Области применения модуля Волновая оптика

Дополняя базовую платформу COMSOL Multiphysics® модулем Волновая оптика, вы получаете широкий спектр специализированных инструментов для волновых оптических расчетов.

Модуль Волновая оптика включает инструменты для моделирования следующих задач:

  • Фотонные устройства
  • Интегральная оптика
  • Оптические волноводы
  • Разветвители
  • Волоконная оптика
  • Фотонные кристаллы
  • Нелинейная оптика
  • Генерация гармоник со смешением частот
  • Лазеры
    • Cтержневые лазеры
    • Плоские лазеры
    • Дисковые лазеры
    • Полупроводниковые лазеры
    • Лазерный нагрев
    • Распространение лазерных пучков
  • Плазмоны и плазмонные устройства
  • Дифракционные решетки
    • Волоконные брэгговские решетки
    • Гексагональные решетки
  • Рассеяние
    • Оптическое рассеяние
    • Поверхностное рассеяние
    • Рассеяние на наночастицах
  • Поляритоны
  • Терагерцовые устройства
  • Усилители
  • Оптическая литография
  • Оптоэлектроника
  • Оптические датчики
  • Метаматериалы
  • Голографическое хранение данных
  • Графен
Модель волновода на фотонном кристалле, созданная с помощью модуля Волновая оптика. Волновод на фотонном кристалле основан на принципе фотонной запрещенной зоны, поэтому через него проходят только волны в определенном частотном диапазоне.

Мультифизические связи:

Доступные непосредственно в модуле Волновая оптика:

  • Лазерный нагрев

Доступные при наличии дополнительных модулей расширения:

  • Оптоэлектроника и физика полупроводников
  • Изменения характеристик компонентов при механических деформациях, напряжениях и тепловом расширении
  • Электрооптические явления
  • Магнитооптические явления
  • Динамооптические явления
  • Акустооптические явления
  • Сочетание геометрической и волновой оптики

Основные функции и возможности, доступные в модуле Волновая оптика

Ниже в интерактивном списке систематизирован и описан ключевой функционал и преимущества модуля Волновая оптика.
В модуль Волновая оптика входит набор предопределенных физических интерфейсов для моделирования микрооптических и нанооптических устройств.

Did You Know? Физический интерфейс — это пользовательский интерфейс для той или иной области физики, определяющий уравнения, настройки построения сетки, решателей, визуализации и отображения результатов.

Физические интерфейсы модуля Волновая оптика:

  • Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, огибающие пучка)
  • Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область)
  • Electromagnetic Waves, Time Explicit (Электромагнитные волны, временная область с явным решателем)
  • Electromagnetic Waves, Transient (Электромагнитные волны, временная область)

При наличии в лицензии модуля Полупроводники, вы получите доступ к интерфейсам Semiconductor Optoelectronics, Beam Envelopes (Полупроводниковая оптоэлектроника, огибающие пучка) и Semiconductor Optoelectronics, Frequency Domain (Полупроводниковая оптоэлектроника, частотная область).

Пример модели, использующей различные физические интерфейсы модуля Волновая оптика.

Электрическое поле в линзе Френеля рассчитано тремя методами для верификации: с использованием приближения Френеля, в физическом интерфейсе Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, огибающие пучка), а также физическом интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область).

Модуль Волновая оптика позволяет легко и быстро создавать модели в двухмерных, двухмерных осесимметричных и трехмерных постановках. Доступно задание различных фундаментальных и специализированных условий и настроек.

Граничные условия, доступные в модуле Волновая оптика:

  • Порты
  • Численные (Numeric)
  • Аналитические формы
  • Пользовательские
  • Периодические порты с указанием порядка дифракции
  • Условие рассеяния
  • Условие согласованной границы
  • Периодические условия
  • Периодичность Флоке (Блоха)
  • Переходное граничное условие
  • Условие непрерывности поля
  • Поток/источник
  • Идеальный электрический проводник
  • Идеальный магнитный проводник
  • Импедансное граничное условие
  • Поверхностная плотность тока
  • Поверхностная плотность магнитного тока
  • Электрическое поле
  • Магнитное поле

Условия на домены, доступные в модуле Волновая оптика:

  • Поляризация
  • Расчет полей в дальней зоне
  • Идеально согласованные слои (PML)
  • Формулировка рассеянного поля
  • Гауссов пучок
  • Линейно поляризованная плоская волна
  • Пользовательская конфигурация
Пример моделирования рассеяния в пакете COMSOL Multiphysics. В этом примере шестиугольная решетка из полусфер рассеивает падающую плоскую волну. В модели рассчитано итоговое распределение электромагнитных полей и эффективность дифракции.

Программный пакет предоставляет полный доступ к модели: свойства материала, определяющие уравнения Максвелла, и граничные условия можно изменять напрямую. Гибкость пакета позволяет создавать пользовательские материалы со специально разработанными свойствами, в том числе метаматериалы, гиромагнитные и хиральные среды. Моделирование на основе пользовательских уравнений (Equation-based modeling) позволяет точно задавать требуемые входные и выходные данные оптической модели, не прибегая к дополнительным предположениям и приближениям.

Гибкость моделирования, основанное на пользовательских уравнениях, встроенные и пользовательские материалы предоставляют следующие возможности по заданию:

  • Показателя преломления
  • Диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и электрической проводимости
  • Градиентного и комплексного показателя преломления
  • Свойств материала, зависящих от частоты
  • Анизотропных свойств
  • Потерь
  • Нелинейных явлений
    • Неоднородностей
  • Дисперсионных сред
    • На основе модели Друде — Лоренца
    • На основе модели Дебая
    • На основе модели Зельмейера
  • Переменных, связанных с частотой
  • Переменных, связанных с длиной волны
  • Гиромагнитных сред
  • Хиральных сред
  • Метаматериалов со специально разработанными свойствами
  • Тензора 3х3 для анизотропных свойств
  • Структур с периодичностью Флоке и дифракционными модами высокого порядка
 
Модуль Волновая оптика содержит средства автоматического построения сетки, которые позволяют разрешать в расчете на основе метода конечных элементов и современных решателей длины волн, характерные для электромагнитных явлений. Доступны несколько типов конечных элементов.

Did You Know? Если волновой вектор или фазовая функция в каждой точке расчетной области известны заранее, то можно заметно снизить требуемое число элементов сетки для расчета модели с помощью метода огибающей пучка.

Типы конечно-элементных сеток в модуле Волновая оптика:

  • Тетраэдрические
  • Гексаэдрические
  • Призматические
  • Пирамидальные
  • Треугольные
  • Четырехугольные
  • Периодические
  • Линейные дискретизации элементов и дискретизации элементов высокого порядка, основанные на узлах и ребрах
  • Сочетания тетраэдрических, призматических, пирамидальных, гексаэдрических, треугольных и четырехугольных элементов
Пример автоматического построения сетки под управления физикой (physics-controlled meshing) для волновой оптической модели. Модель направленного разветвителя, образованного двумя параллельными оптическими волноводами. Автоматическое построение сетки под управлением физики (physics-controlled meshing), для которого используется структурированная сетка типа Swept ("протяжкой"), позволяет эффективно рассчитать норму электрического поля.

Модуль Волновая оптика содержит большой набор апробированных и верифицированных решателей и типов исследований. Доступны расчеты на собственные частоты, расчеты в частотной области и в области длин волн, а также граничный модальный анализ.

Численные методы, доступные в модуле Волновая Оптика:

  • Полноволновый метод расчета распространения волн на основе метода конечных элементов (FEM)
  • Методика огибающей пучка (beam envelope) на основе метода конечных элементов (FEM)
    • В однонаправленном режиме
    • В двунаправленном режиме

Типы исследований, доступные в модуле Волновая Оптика:

  • Анализ на собственные частоты
  • Анализ мод
  • Расчеты в частотной области и в области длин волн
  • Анализ во временной области
  • Адаптивный расчет в частотной области (Adaptive Frequency Sweep)
Модель оптического кольцевого резонатора, в которой использовано несколько типов исследований, доступных в модуле Волновая оптика. Комбинация двух граничных анализа мод ( boundary mode analysis) и исследования в частотной области позволяют рассчитать электрическое поле и коэффициенты пропускания, отражения и потерь в данном оптическом кольцевом резонаторе.

Результаты моделирования можно представить в ясной и понятной форме. Инструменты постобработки в модуле Волновая оптика позволяют рассчитать матрицы параметров рассеяния (S-параметров), свойства пропускания, отражения и многое другое. Модуль также включает более сложные инструменты для отображения и постобработки произвольных полевых величин.

Инструменты постобработки в модуле Волновая оптика:

  • Интегрирование, расчет и визуализация
    • Компоненты электрического поля
    • Компоненты магнитного поля
    • Энергия
    • Поток мощности
    • Составные полевые величины
    • Плотности потерь мощности
  • Расчет и экспорт
    • Матрицы S-параметров рассеяния
    • Коэффициенты пропускания и отражения
Пример модели, использующей возможности постобработки модуля Волновая оптика. Модель элементарной ячейки проволочной дифракционной решетки. Периодичность задана граничными условиями Флоке. Трехмерный объект образован повторами элементарной ячейки. Модель рассчитывает коэффициенты пропускания, отражения и дифракции первого порядка.

Подумайте, сколько времени и сил вы могли бы вложить в новые проекты, если бы вам не приходилось запускать одни и те же модели и проводить однотипные расчеты для других ваших коллег, менее знакомых с численным моделированием в целом и пакетом в частности. С помощью Среды разработки приложений вы можете создавать приложения для моделирования на основе моделей COMSOL, которые упрощают процесс моделирования, ограничивая изменение входных данных и контролируя выходные данные, выводя только нужные для конечного пользователя результаты. С их помощью ваши коллеги смогут проводить типовые расчеты самостоятельно.

Интерфейс приложений для моделирования (Simulation Apps) позволяет легко изменять конструкционные параметры или расчётные данные, например, длину волны, и выполнить любое требуемое количество проверок и повторных расчетов. С помощью приложений вы можете ускорить процесс проведения своих собственных исследований. Кроме того, можно предоставить доступ к приложениям своим коллегам, чтобы они самостоятельно выполняли свои расчеты, освобождая ваше время и силы для других задач.

Рабочий процесс создания и использования приложений для моделирования очень прост:

  1. Создайте для вашей сложной волновой оптической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение).
  2. Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям.
  3. Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам.
  4. Ваши коллеги и/или заказчики смогут проводить заданные в приложении типовые расчеты и проекты без вашей помощи.

Используя функционал приложений для моделирования вы сможете предоставить доступ к численным расчетам и проектированию вашим коллегам внутри отдела или лаборатории, всей организации целиком, студентам и аспирантам, клиентам и заказчикам.

Пример специализированного приложения для исследования поляризационного расщепителя пучка. Гауссов пучок проходит через две стеклянные призмы, разделенные блоком чередующихся материалов с высоким и низким показателями преломления. Наличие или отсутствие отражения волны зависит от конструкции и параметров модели, выбранных пользователем.

Разработка фотонных устройств и оптических волноводов с учетом реальных условий работы

Таким образом, процесс моделирования остается тем же самым, какую бы прикладную физическую задачу вы ни решали. Чтобы спроектированная оптическая конструкция или устройство могли работать в реальных условиях, необходимо учитывать, как на него влияют другие физические явления. С программным пакетом COMSOL Multiphysics® и модулем Волновая оптика можно легко объединять различные физические явления в рамках одного анализа.

Многие прикладные задачи волновой оптики включают различные физические явления, в частности, теплопередачу при лазерном нагреве, механику конструкций для динамооптических задач или физику полупроводниковых лазеров. Мультифизическое моделирование позволяет объединить все эти явления в одной модели и изучать их совместно.

На ваш продукт влияют явления, относящиеся к другим разделам физики? Добавьте к модулю Волновая оптика любые другие модули расширения, которые сочетаются с базовой платформой COMSOL Multiphysics®. Благодаря этому можно использовать привычный процесс моделирования в различных прикладных областях физики.

Трехмерная модель лазерного нагрева. Лазерный нагрев полупрозрачной среды. Показаны температура материала и интенсивность излучения в материале.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, 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 представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.