Исследуйте микро- и нанооптические компоненты с помощью модуля Волновая оптика
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
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
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).
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).
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
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
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
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)
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
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:
- Создайте для вашей сложной волновой оптической модели простой пользовательский графический интерфейс (приложение).
- Настройте приложение для ваших нужд, выбирая нужные входные и выходные данные, которые будут доступны пользователям.
- Используйте продукт COMSOL Server™ для удаленного хранения и систематизации приложений и предоставления к ним доступа вашим коллегам и/или заказчикам.
- 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.
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.
Лазерный нагрев полупрозрачной среды. Показаны температура материала и интенсивность излучения в материале.
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.