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.

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

 

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.

Предустановленные физические интерфейсы: моделирование оптических процессов и структур

В модуль Волновая оптика входит набор предопределенных физических интерфейсов для моделирования микрооптических и нанооптических устройств.

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).

Настройки физики и физических интерфейсов: задание рассеяния, периодичности и разрывов для полей и поверхностей

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

Моделирование на основе пользовательских уравнений: описание уникальных оптических материалов

 

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

Автоматическое построение сетки для эффективного моделирования задач волновой оптики

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.

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

Используемые численные методы и доступные типы исследований для решения задач волновой оптики

 

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

Инструменты постобработки: расчет пропускания и отражения, визуализация э/м полей

 

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

 Приложения для моделирования: настраивайте входные и выходные данные для упрощения процесса моделирования

 

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.

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.