Wave Optics Module

Per simulare la propagazione di onde elettromagnetiche a frequenze ottiche in strutture di grandi dimensioni

Wave Optics Module

Accoppiatore direzionale formato da due guide d'onda interagenti.

Simulare componenti di progetti ottici

Il Wave Optics Module offre strumenti dedicati per la propagazione di onde elettromagnetiche in mezzi ottici lineari e non lineari, per eseguire simulazioni accurate dei componenti e ottimizzare un progetto ottico. Con questo modulo è possibile modellare le onde elettromagnetiche ad alta frequenza in strutture ottiche nel dominio del tempo o della frequenza. Il modulo potenzia la modellazione dei mezzi ottici con il supporto di materiali disomogenei e totalmente anisotropi e di mezzi ottici con guadagni o perdite. Nel Wave Optics Module sono disponibili diverse formulazioni 2D e 3D per le analisi dei modi propri (cavità) e per simulazioni di propagazione elettromagnetica tanto nel dominio della frequenza che in quello del tempo. Si possono calcolare, visualizzare e analizzare i fenomeni mediante strumenti di post-processing specificamente implementati, come il calcolo dei coefficienti di trasmissione e riflessione.

Analisi ottica di tutti i tipi di mezzi ottici

È semplice simulare sensori ottici, metamateriali, fibre ottiche, accoppiatori bidirezionali, dispositivi plasmonici e processi ottici non lineari nella fotonica e la propagazione del fascio laser. Queste simulazioni possono essere eseguite in 2D, 2D assialsimmetrico e 3D. Si possono definire porte di eccitazione per monitorare energia entrante ed uscente, nonché per l'estrazione automatica delle matrici dei parametri S che contengono tutte le proprietà di trasmissione e riflessione di una struttura ottica, potenzialmente con più porte. È possibile applicare diverse condizioni al contorno per simulare diffusione ottica, periodicità e discontinuità. Gli strati perfettamente adattati (Perfectly Matched Layer, PML) sono ideali per simulare la propagazione delle onde elettromagnetiche in uno spazio libero e illimitato, contenendo i costi computazionali. Le funzionalità di post-processing consentono di visualizzare, valutare e integrare praticamente qualsiasi quantità immaginabile, poiché si possono comporre liberamente espressioni matematiche dei campi e delle quantità derivate.

Altre immagini:

  • Un fascio gaussiano è proiettato su un vetro ottico BK-7, con indice di rifrazione maggiore al centro della fibra che neutralizza gli effetti di diffrazione e concentra il fascio. L'illustrazione mostra (visto l'elevato rapporto di forma) una vista compressa rispetto alle reali proporzioni della fibra utilizzata nella simulazione. Un fascio gaussiano è proiettato su un vetro ottico BK-7, con indice di rifrazione maggiore al centro della fibra che neutralizza gli effetti di diffrazione e concentra il fascio. L'illustrazione mostra (visto l'elevato rapporto di forma) una vista compressa rispetto alle reali proporzioni della fibra utilizzata nella simulazione.
  • Densità di energia all'interno di una cavità Fabry-Perot su un intervallo di frequenze. Questo modello consente di trovare le frequenze di risonanza e i fattori qualità (Q-factors). Densità di energia all'interno di una cavità Fabry-Perot su un intervallo di frequenze. Questo modello consente di trovare le frequenze di risonanza e i fattori qualità (Q-factors).
  • Una nanoparticella d'oro (sfera nanometrica) è illuminata da un'onda piana e ne viene misurata la diffusione ottica. Viene mostrata la distribuzione della radiazione emessa in campo lontano tanto nel piano E (linea blu) che nel piano H (linea verde), insieme alle perdite (calore generato) dovute al passaggio dell'onda e alla generazione di correnti resistive. Una nanoparticella d'oro (sfera nanometrica) è illuminata da un'onda piana e ne viene misurata la diffusione ottica. Viene mostrata la distribuzione della radiazione emessa in campo lontano tanto nel piano E (linea blu) che nel piano H (linea verde), insieme alle perdite (calore generato) dovute al passaggio dell'onda e alla generazione di correnti resistive.

Numerosi strumenti per semplificare la simulazione ottica

Il Wave Optics Module consente di simulare mezzi ottici con proprietà materiali (es. conducibilità, indice di rifrazione, permettività, permeabilità) di tipo disomogeneo, anisotropo, non lineare e dispersivo. A tale fine, COMSOL Multiphysics offre accesso al tensore 3x3 (se la proprietà è anisotropa) o accetta l'immissione di qualsiasi equazione algebrica arbitraria per le proprietà dei materiali includendo effetti di tipo non lineare, legati alla disomogeneità o alla dispersività. Quando si eseguono simulazioni in cui si effettuano scansioni sulla lunghezza d'onda è possibile definire le proprietà materiali includendo in ogni espressione una generica dipendenza dalla variabile che indica la lunghezza d'onda. Lo stesso avviene per le scansioni sulla frequenza. Il Wave Optics Module è perfetto per modellare materiali complessi da descrivere (come i materiali giromagnetici e i metamateriali con proprietà ingegnerizzate). Questo anche grazie alla flessibilità di accesso alle equazioni sottostanti alla soluzione dei modelli. Il modulo include anche funzionalità utili per simulare strutture periodiche (anche con periodicità alla Bloch-Floquet) calcolando automaticamente gli ordini di diffrazione superiori e materiali con indice di rifrazione modulato (graded index materials).

Considerare gli effetti di altri fenomeni sull'ottica fisica

Come con tutti i prodotti COMSOL, il Wave Optics Module si integra perfettamente con COMSOL Multiphysics e con gli altri moduli aggiuntivi, per poter accoppiare altri fenomeni fisici alla propagazione delle onde elettromagnetiche. Per esempio, è possibile monitorare il riscaldamento laser o l'effetto di tensioni e deformazioni strutturali sulla propagazione della luce attraverso componenti e dispositivi ottici.

Modellazione ottica accurata con il Beam Envelope Method

Negli studi dipendenti dal tempo della propagazione di onde elettromagnetiche si assume spesso che tutte le variazioni temporali si presentino come segnali sinusoidali. Questo fatto rende il problema di natura transitoria, risolvibile nel dominio della frequenza. Il Wave Optics Module offre diverse interfacce per la simulazione di tali fenomeni e tramite altre specifiche funzionalità consente anche di simulare problemi non lineari come la distorsione minima del segnale. Se invece l'influenza non lineare è forte, sarà necessario eseguire uno studio del dispositivo totalmente dipendente dal tempo.

Quando si risolvono problemi di propagazione ottica con i metodi tradizionali, sono necessari diversi elementi di griglia in ogni lunghezza onda per risolverne adeguatamente la propagazione. Per simulare la propagazione della luce si deve per forza tener conto delle piccole lunghezze d'onda (spesso sensibilmente inferiori al micron). In genere sono quindi necessarie grandi quantità di risorse computazionali per modellare componenti e dispositivi molto più grandi rispetto alla lunghezza d'onda. Il Wave Optics Module affronta questi tipi di simulazioni utilizzando l'innovativo Beam Envelope Method.

Questo metodo per la propagazione elettromagnetica supera l'esigenza di approssimazioni tradizionali. Il problema ondulatorio viene infatti risolto completamente senza approssimazioni discretizzando direttamente le equazioni di Maxwell. La chiave di volta è esprimere il campo elettrico come il prodotto di una funzione di inviluppo che varia lentamente nel tempo e di una funzione di fase esponenziale che varia rapidamente. Ciò consente di eseguire simulazioni precise di grandi sistemi ottici dove le quote geometriche possono essere molto maggiori rispetto alla lunghezza d'onda e dove le onde luminose non possono essere approssimate con raggi (ottica geometrica). Il metodo tradizionale di propagazione elettromagnetica che risolve in modo diretto ogni onda è comunque disponibile nel Wave Optics Module e può essere utile per le geometrie più piccole.

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

Surface Plasmon Resonance

A 100-Fold Improvement in Lithography Resolution Realized with a 150-Year-Old “Perfect Imaging” System

Nanorods

Photonic Crystal

Plasmonic Wire Grating

Directional Coupler

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Step Index Fiber Bend with Bending Loss

Gaussian Beam Incident at Brewster Angle

Second Harmonic Generation from a Gaussian Beam

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial

Dielectric Slab Waveguide