Wave Optics Module

Analizzare dispositivi micro e nano-ottici

Il Wave Optics Module, un add-on della piattaforma software COMSOL Multiphysics®, è usato da tecnici e ricercatori per comprendere, prevedere e studiare la propagazione delle onde elettromagnetiche e gli effetti di risonanza nelle applicazioni ottiche. Analizzando le distribuzioni del campo elettromagnetico, i coefficienti di trasmissione e riflessione e la dissipazione di potenza in un progetto, questo tipo di simulazione consente di raggiungere prodotti e metodi di ingegneria più potenti ed efficienti.

Per ottimizzare i progetti per dispositivi fotonici, ottica integrata, guide d'onda ottiche, accoppiatori, fibre ottiche e altro ancora, è necessario tenere conto degli scenari del mondo reale. Le capacità di modellazione multifisica del software COMSOL Multiphysics® vi aiutano a studiare come altre fisiche influenzino le strutture ottiche; per esempio, gli effetti stress-ottici, elettro-ottici e acustico-ottici, oltre al riscaldamento elettromagnetico.

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Modello di risonatore ottico ad anello che mostra il campo elettrico nella tabella dei colori di una termocamera.

Modellare problemi otticamente grandi con il metodo Beam Envelope

Oltre ai metodi numerici tradizionali, il Wave Optics Module include un metodo specializzato di beam envelope che può essere usato per simulare dispositivi otticamente grandi utilizzando molte meno risorse computazionali rispetto alle tecniche convenzionali. Le applicazioni includono accoppiatori direzionali, reticoli di Bragg in fibra, sistemi di lenti, guide d'onda, sistemi ottici esterni, accoppiamenti di fibre, pile di diodi laser e sistemi di distribuzione del fascio laser.

Il metodo beam envelope analizza l'inviluppo del campo elettrico che varia lentamente per simulazioni otticamente grandi senza fare affidamento su approssimazioni. Richiede molti meno elementi di mesh per risolvere ogni onda che si propaga rispetto ai metodi tradizionali.

 

Cosa si può modellare con il Wave Optics Module

Con il software COMSOL® potete eseguire diverse analisi ottiche

Visualizzazione in primo piano di un modello di fibra ottica che mostra il campo elettrico.

Fibre ottiche

Analisi dei modi e propagazione delle onde nelle fibre ottiche.

Visualizzazione in primo piano di un modello di un fascio che mostra la distribuzione della fase a spirale.

Propagazione dei fasci

Propagazione delle onde gaussiane o piane nei dielettrici o nello spazio libero.

Visualizzazione in primo piano di un modello di raggio gaussiano che si propaga attraverso una guida di luce, visualizzato a zig-zag.

Guide d'onda

Calcolo dei coefficienti di trasmissione e riflessione delle guide d'onda.

Visualizzazione in primo piano di un modello di accoppiatore direzionale che mostra il campo elettrico.

Accoppiatori a guida d'onda

Analisi dell'accoppiamento di campo tra guide d'onda in stretta vicinanza.

Visualizzazione in primo piano di un modello di nanosfera d'oro che mostra lo scattering ottico.

Diffusione ottica

Scattering di onde piane e fasci gaussiani.

Visualizzazione in primo piano di un reticolo metallico su un substrato dielettrico che mostra la norma del campo elettrico.

Plasmonica

Eccitazioni elettromagnetiche dei plasmoni di superficie e dei polaritoni plasmonici.

Visualizzazione in primo piano di un modello di cristallo fotonico che mostra il campo elettrico.

Cristalli fotonici

Cristalli fotonici e strutture di bandgap.

Visualizzazione in primo piano di un modello di raggio laser che mostra la seconda generazione armonica.

Ottica non lineare

Generazione di seconda armonica, effetti di autofocalizzazione e altri effetti non lineari.

Visualizzazione in primo piano di un modello di cavità laser che mostra il campo elettrico.

Cavità laser

Frequenze di risonanza e guadagno di soglia delle cavità laser.

Visualizzazione in primo piano di un modello a griglia esagonale con sette semisfere sporgenti.

Reticoli e metamateriali

Trasmissione, riflettanza e diffrazione di reticoli, metamateriali e strutture periodiche generali.

Visualizzazione in primo piano di un modello di guida d'onda fotonica che mostra il campo elettrico.

Effetti ottici dello stress1

Effetti della birifrangenza indotta da stress nelle guide d'onda.

Visualizzazione in primo piano di un dispositivo LED che mostra il tasso di emissione dell'elettroluminescenza.

Optoelettronica2

Emissione, assorbimento e variazioni dell'indice di rifrazione nei dispositivi optoelettronici.

  1. Richiede Structural Mechanics Module o MEMS Module
  2. Richiede Semiconductor Module

Caratteristiche e funzionalità del Wave Optics Module

Esplora le caratteristiche e le funzionalità del Wave Optics Module in modo più dettagliato espandendo le sezioni sottostanti.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con le onde elettromagnetiche, il nodo Beam Envelopes evidenziato e un modello di lente di Fresnel nella finestra Graphics.

Analisi elettromagnetiche full-wave

Il Wave Optics Module permette di impostare rapidamente e facilmente un modello nei domini 2D, 2D assialsimmetrico e 3D. Sono incluse condizioni al contorno fondamentali e avanzate per le vostre analisi.

Il flusso di lavoro è semplice e può essere descritto in generale dai seguenti passi: creare o importare la geometria, selezionare i materiali, selezionare un'interfaccia Wave Optics adatta, definire le condizioni iniziali e di contorno, definire la mesh, selezionare un solutore e visualizzare i risultati. Tutti questi passi sono accessibili dall'ambiente COMSOL Multiphysics®. Le impostazioni della mesh e del solutore sono automatiche con opzioni per la modifica manuale.

Le funzionalità del Wave Optics Module coprono la simulazione di campi elettromagnetici e di onde basate sulle equazioni di Maxwell insieme alle leggi dei materiali per la propagazione in vari mezzi. Le possibilità di modellazione sono accessibili tramite interfacce utente incorporate, che permettono di analizzare i fenomeni delle onde in dispositivi ottici e fotonici.

Il Wave Optics Module permette la modellazione nel dominio della frequenza e del tempo, inclusa la frequenza propria e l'analisi dei modi.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Analytic evidenziato e un modello in fibra ottica nella finestra Graphics.

Materiali ottici

È possibile utilizzare materiali dal database integrato dei materiali ottici o definirne di propri. È possibile specificare la permittività relativa o l'indice di rifrazione, nonché includere proprietà più avanzate del materiale come Debye, Drude–Lorentz e la dispersione di Sellmeier. I materiali possono essere anisotropi e funzionalmente graduati.

È possibile avere il pieno controllo della simulazione modificando le definizioni dei materiali, le equazioni di Maxwell o le condizioni al contorno direttamente all'interno del software. Questa flessibilità vi permette di creare una varietà di materiali definiti dall'utente, compresi i metamateriali, con proprietà ingegneristiche, e materiali giromagnetici e chirali.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni del nodo Surface e un modello di reticolo a filo plasmonico nella finestra Graphics.

Visualizzazione ed estrazione dei dati

I risultati sono presentati utilizzando, per esempio, grafici di campi elettrici e magnetici, riflettanza, trasmittanza, efficienza di diffrazione, parametri S, flusso di potenza e dissipazione. Potete anche creare visualizzazioni di espressioni non standard in termini di quantità fisiche che potete definire liberamente. Questo rende possibile ottenere una visione più profonda consentendo l'esame di praticamente ogni aspetto dei risultati.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Polarization evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Ottica non lineare

Il Wave Optics Module fornisce diverse funzionalità per simulare l'ottica non lineare sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Nel dominio della frequenza, si possono avere proprietà del materiale dipendenti dal campo per fenomeni come l'autofocalizzazione, o si possono accoppiare più analisi nel dominio della frequenza per modellare la miscelazione tra due o più onde a frequenze diverse, come la generazione di frequenza somma o differenza. Incorporando i termini di polarizzazione non lineare, questo approccio permette simulazioni non lineari usando laser a onda continua (CW) o altri fenomeni quasi stazionari. C'è una flessibilità simile nel dominio del tempo, dove i termini di polarizzazione o di spostamento elettrico residuo possono essere modificati per consentire scenari di modellazione più avanzati come i fenomeni ultrarapidi.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Port evidenziato e un modello 2D nella finestra Graphics.

Condizioni al contorno

La modellazione delle onde elettromagnetiche richiede condizioni al contorno altamente specializzate, compresa la capacità di modellare domini non delimitati e strutture periodiche come i metamateriali. Per esempio, la modellazione di un metamateriale periodico richiede porte periodiche che possano gestire angoli di incidenza e ordini di diffrazione arbitrari. Per la modellazione generale di guide d'onda e fibre ottiche, sono necessarie le porte numeriche mode-matched per alimentare correttamente le guide d'onda con la luce in entrata.

Condizioni al contorno importanti nel Wave Optics Module

  • Conduttore elettrico perfetto (PEC)
  • Impedenza (conduttività finita)
  • Transizione (sottile foglio conduttivo con perdite)
  • Porte periodiche con ordini di diffrazione arbitrari
  • Periodicità Floquet, o Bloch
  • Confini di diffusione (assorbenti)
  • Porte
    • Forme analitiche
    • Numerico (modo abbinato)
Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Core evidenziato e un modello modulatore nella finestra Graphics.

Effetti multifisici nei dispositivi ottici

Il Wave Optics Module può essere combinato con qualsiasi altro modulo per simulare fenomeni multifisici, tutti perfettamente integrati con la piattaforma software COMSOL Multiphysics®. Questo significa che il vostro flusso di lavoro di modellazione rimane lo stesso, indipendentemente dall'area di applicazione o dalla fisica che state modellando.

Potreste voler esaminare gli effetti della deformazione meccanica sulle prestazioni del vostro dispositivo, compresi gli effetti stress-ottici. Allo stesso modo, potete esaminare come il trasferimento di calore, lo stress termico e la dissipazione termica influenzino un dispositivo.

Inoltre, potete simulare come vari fenomeni fisici possono essere usati per scopi di modulazione, come gli effetti acustico-ottici, elettro-ottici e magneto-ottici.

Combinando con una simulazione del trasporto di massa, potete calcolare profili realistici dell'indice di rifrazione con coefficienti di diffusione anisotropici e usare i risultati in un'analisi elettromagnetica.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Diffraction Order evidenziato e un modello di reticolo esagonale nella finestra Graphics.

Strutture periodiche

Le strutture periodiche sono fondamentali per molte strutture elettromagnetiche ingegnerizzate sviluppate per applicazioni come l'imaging polarimetrico e a lunghezza d'onda inferiore e l'ottica diffrattiva. Nel Wave Optics Module, potete modellare queste strutture, inclusi i loro modi di diffrazione di alto ordine, con condizioni periodiche di Floquet e variando gli ordini di diffrazione. Usando queste caratteristiche, potete progettare accuratamente elementi per metasuperfici e altre ottiche piatte.

Visualizzazione in primo piano delle onde elettromagnetiche, delle impostazioni del nodo Frequency Domain e di due finestre Graphics.

Scattering

Modelli accurati di diffusione di nanoparticelle d'oro, per esempio, possono essere facilmente realizzati utilizzando una formulazione di campo disperso. In questo approccio, il Wave Optics Module fornisce la scelta tra un'onda piana incidente, un fascio gaussiano (sia con che senza l'approssimazione parassiale) o un'eccitazione definita dall'utente e poi risolve il campo disperso indotto dall'eccitazione scelta. Il dominio di simulazione può approssimare uno spazio infinito assorbendo la radiazione in uscita utilizzando strati perfettamente accoppiati (PML), che assorbono simultaneamente la radiazione per una gamma di frequenze e angoli di incidenza. Usando una trasformazione da campo vicino a campo lontano, si può analizzare la radiazione in campo lontano dello scatterer.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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