Analizza i dispositivi micro- e nano-ottici con il Wave Optics Module

Software di simulazione per l'ottimizzazione di dispositivi ottici

La simulazione può essere utilizzata per validare progetti di sistemi ottici rispetto a dati sperimentali e teoria. Tuttavia, i metodi di simulazione tradizionali per strutture otticamente grandi, in cui la geometria è molto più grande della lunghezza d'onda, possono essere dispendiosi sia dal punto di vista computazionaleche in termini di tempo. Il Wave Optics Module, un prodotto aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®, rappresenta una scelta efficiente per le vostre esigenze di modellazione ottica.

Il Wave Optics Module include il Beam Envelope Method, un metodo speciale che può essere utilizzato per simulare dispositivi otticamente grandi con risorse di calcolo molto inferiori rispetto ai metodi tradizionali. Sono disponibili funzioni per la modellazione di sistemi ottici, come la polarizzazione di domini, utile per la propagazione di onde non lineari. La libreria dei materiali include relazioni di dispersione per gli indici di rifrazione di oltre 1400 materiali, tra cui un numero elevato di vetri utilizzati per lenti, materiali semiconduttori e in altre aree.

Per ottimizzare progetti di dispositivi fotonici, ottica integrata, guide d'onda ottiche, accoppiatori, fibre ottiche e altro, è necessario tenere conto degli scenari reali. Con le funzionalità di modellazione multifisica del software COMSOL®, è possibile studiare in che modo altre fisiche influiscono sulle strutture ottiche: per esempio, il riscaldamento laser, il trasporto di portatori nei semiconduttori e gli effetti di stress ottico.

Modella problemi otticamente grandi con il Beam Envelope Method

L'ottica richiede un metodo numerico in grado di modellare e risolvere in modo efficiente problemi complessi. Il Beam Envelope Method analizza l'inviluppo del campo elettrico lentamente variabile per simulazioni otticamente grandi senza far uso di approssimazioni tradizionali. Richiede molti meno elementi mesh per risolvere ogni onda propagante rispetto ai metodi tradizionali.

Lo sapevi? Il Beam Envelope Method (metodo dell'inviluppo del raggio) è un metodo di simulazione per il riscaldamento laser e risolve accuratamente i campi le perdite vicino al fuoco del fascio, quando il dominio riscaldato è grande rispetto alla lunghezza d'onda.

Il Beam Envelope Method rappresenta una scelta efficiente e affidabile per le simulazioni di ottica. Altrettanto importante, il Wave Optics Module offre un metodo full-wave tradizionale basato sulla discretizzazione diretta delle equazioni di Maxwell. Entrambi i metodi sono basati sul metodo degli elementi finiti (FEM).

 

Che cosa troverai nel Wave Optics Module

Il Wave Optics Module offre funzionalità per la modellazione ottica specializzata delle onde in combinazione con le funzionalità principali della piattaforma software COMSOL Multiphysics®.

Il Wave Optics Module include strumenti per simulare:

  • Dispositivi fotonici
  • Ottica integrata
  • Guide d'onda ottiche
  • Accoppiatori
  • Fibre ottiche
  • Cristalli fotonici
  • Ottica non lineare
  • Generazione di armoniche con miscelazione di frequenza
  • Laser
    • Rod laser
    • Slab laser
    • Disk laser
    • Laser a semiconduttore
    • Riscaldamento laser
    • Propagazione di raggi laser
  • Plasmoni e dispositivi plasmonici
  • Reticoli
    • Reticoli a fibre di Bragg
    • Reticoli esagonali
  • Scattering
    • Dispersione ottica
    • Scattering da superfici
    • Diffusione di nanoparticelle
  • Polaritoni
  • Dispositivi ai Terahertz
  • Amplificatori
  • Litografia ottica
  • Optoelettronica
  • Sensori ottici
  • Metamateriali
  • Archiviazione di dati olografici
  • Grafene
Modello di una guida d'onda a cristallo fotonico, creata con il Wave Optics Module. Una guida d'onda a cristallo fotonico, in cui si ottiene un band-gap fotonico in modo che possano propagarsi solo le onde in un certo intervallo di frequenza.

Accoppiamenti multifisici:

Incluso nel Wave Optics Module:

  • Riscaldamento laser

Disponibili con moduli aggiuntivi:

  • Optoelettronica inclusa la fisica dei semiconduttori
  • Cambiamenti nelle prestazioni dei componenti a causa di deformazione strutturale, stress ed espansione termica
  • Effetti Elettro-ottici (EO)
  • Effetti Magneto-ottici (MO)
  • Stress-ottico (SO)
  • Effetti acusto-ottici (AO)
  • Tracciamento dei raggi accoppiato con l'ottica full-wave

Caratteristiche e funzionalità del Wave Optics Module

Esplora le funzionalità del Wave Optics Module in modo più dettagliato espandendo le sezioni seguenti.
Il Wave Optics Module viene fornito con una selezione di interfacce fisiche predefinite per la modellazione di un'ampia gamma di dispositivi micro e nano-ottici.

Lo sapevi? Un'interfaccia fisica è un'interfaccia utente per un'area fisica specifica che definisce le equazioni, insieme alle impostazioni per la generazione di mesh, solutori, visualizzazione e risultati.

Interfacce di modellazione fisica nel Wave Optics Module:

  • Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
  • Electromagnetic Waves, Frequency Domain
  • Electromagnetic Waves, Time Explicit
  • Electromagnetic Waves, Transient

È anche possibile accedere alle interfacce Semiconductor Optoelectronics, Beam Envelopes e Semiconductor Optoelectronics, Frequency Domain aggiungendo il Semiconductor Module.

Modello creato con le interfacce di modellazione fisica del Wave Optics Module.

Il campo elettrico in una lente di Fresnel calcolato in tre modi diversi e confrontato per validazione: l'approssimazione di Fresnel, l'interfaccia fisica predefinita Elettromagnetic Waves, Beam Envelopes e l'interfaccia fisica Electromagnetic Waves, Frequency Domain.

Il Wave Optics Module consente di configurare rapidamente e facilmente un modello in domini 2D, 2D asimmetrici e 3D. Sono disponibili condizioni al contorno base e avanzate.

Condizioni al contorno nel Wave Optics Module:

  • Porta
  • Numerico
  • Formulazioni analitiche
  • Modo definito dall'utente
  • Porte periodiche con ordini di diffrazione arbitrari
  • Condizione al contorno di dispersione
  • Condizione al contorno corrispondente
  • Condizione di periodicità
  • Floquet, o Bloch, periodicità
  • Transizione contorno condizione
  • Continuità di campo
  • Flusso / Sorgente
  • Conduttore elettrico perfetto
  • Conduttore magnetico perfetto
  • Condizione al contorno dell'impedenza
  • Densità della densità superficiale
  • Densità della corrente magnetica di superficie
  • Campo elettrico
  • Campo magnetico

Strumenti di modellazione a livello di dominio nel Wave Optics Module:

  • Polarizzazione
  • Analisi del campo lontano
  • Perfectly matched layers (PML)
  • Formulazione del campo sparse
  • Gaussian beam
  • Onda piano polarizzata linearmente
  • Definito dall'utente
Esempio di modellazione di scattering in COMSOL Multiphysics. In questo problema di scattering, un reticolo esagonale con semisfere riflette un'onda piana. I risultati includono il campo elettrico calcolato e l'efficienza di diffrazione.

Potete prendere il pieno controllo della vostra simulazione modificando le definizioni dei materiali, le equazioni di Maxwell, o le condizioni al contorno direttamente all'interno del software. Questa flessibilità consente di creare una varietà di materiali definiti dall'utente, compresi metamateriali, con proprietà ingegnerizzate e materiali giromagnetici e chirali. La funzionalità Equation Based Modeling consente di personalizzare gli input e gli output necessari per una simulazione ottica senza fare affidamento su ipotesi o approssimazioni.

Flessibilità dell'Equation Based Modeling con materiali pre-implementati e definiti dall'utente per:

  • Indice di rifrazione
  • Permittività, permeabilità e conducibilità
  • Indice di rifrazione graduato e complesso
  • Proprietà del materiale dipendenti dalla frequenza
  • Anisotropo
  • Con perdite
  • Non lineare
    • Non omogeneo
  • Materiali dispersivi
    • Drude-Lorentz
    • Debye
    • Sellmeier
  • Variabili di frequenza
  • Variabili della lunghezza d'onda
  • Materiali giromagnetici
  • Materiali chirali
  • Metamateriali con proprietà ingegnerizzate
  • Accesso al tensore 3x3 per proprietà anisotrope
  • Strutture con periodicità di Floquet e modi di diffrazione di ordine superiore
 
Il modulo Wave Optics offre una generazione automatica della mesh che risolve le lunghezze d'onda dei fenomeni elettromagnetici utilizzando il metodo FEM in combinazione con i solutori più avanzati. Sono disponibili diversi tipi di elementi mesh a elementi finiti.

Lo sapevi? Se è noto a priori il vettore d'onda o la funzione di fase in tutto il dominio di simulazione, è possibile ridurre notevolmente il numero di elementi di mesh necessario per risolvere il modello utilizzando il Beam Envelope Method.

Tipi di mesh a elementi finiti nel Wave Optics Module:

  • Tetraedri
  • Esaedri
  • Prismi
  • Piramidi
  • Triangoli
  • Quadrilateri
  • Periodica
  • Discretizzazione lineare e di ordine elevato con elementi nodali e di edge
  • Combinazioni di tetraedri, prismi, piramidi, esaedri, triangoli e quadrilateri
Un esempio di utilizzo di mesh controllata dalla fisica in un modello di ottica. Un accoppiatore direzionale, formato da due guide d'onda ottiche affiancate, è modellato con una mesh swept controllata dalla fisica per determinare il modulo del campo elettrico.

Il Wave Optics Module include una selezione completa di solutori e tipi di studio per ottenere soluzioni numeriche accurate. Sono anche disponibili studi agli autovalori, nel dominio della frequenza e della lunghezza d'onda e analisi modali sui contorni.

Metodi numerici nel Wave Optics Module:

  • Propagazione full-wave basata su FEM
  • Beam envelope method basato su FEM
    • Monodirezionale
    • Bidirezionale

Tipi di studio nel Wave Optics Module:

  • Analisi alle autofrequenze
  • Analisi modale
  • Dominio della frequenza o lunghezza d'onda
  • Tempo dipendente
  • Adaptive Frequency Sweep
Modello di risonatore ottico ad anello che utilizza i tipi di studio disponibili con il Wave Optics Module. Vengono eseguite due analisi modali sui contorni e uno studio nel dominio della frequenza per ottenere il campo elettrico e la riflettanza, la trasmittanza e le perdite in questo risonatore ottico ad anello.

Presenta i risultati della tua simulazione in un formato chiaro e di facile comprensione: gli strumenti di post-processing inclusi nel Wave Optics Module consentono di calcolare le matrici dei parametri S, proprietà di trasmissione, proprietà di riflessione e altro ancora. Esistono anche strumenti avanzati per la visualizzazione e il post-processing di quantità di campo arbitrarie.

Funzionalità di post-processing nel Wave Optics Module:

  • Integra, valuta e visualizza
    • Componenti del campo elettrico
    • Componenti del campo magnetico
    • Energia
    • Flusso di potenza
    • Quantità composite di campi
    • Densità di perdita di potenza
  • Estrai
    • Matrici dei parametri S
    • Coefficienti di trasmissione e riflessione
Modello che utilizza le funzioni di postprocessing disponibili con il Wave Optics Module. Simulazione di una cella unitaria di un wire grating, in cui le condizioni al contorno di Floquet definiscono la periodicità. La cella unitaria viene moltiplicata per formare un oggetto 3D. Vengono anche calcolati i coefficienti di trasmissione, riflessione e diffrazione del primo ordine.

Provate a pensare al tempo e all'energia che potreste dedicare a nuovi progetti se non doveste continuare a ripetere gli stessi test di simulazione per i membri del vostro team. Con l'Application Builder, integrato in COMSOL Multiphysics®, potrete creare app di simulazione che semplificheranno ulteriormente il flusso di lavoro della simulazione, consentendo di limitare gli input e controllare gli output del modello, in modo che i vostri colleghi possano eseguire in autonomia le proprie analisi.

Grazie alle app, potrete modificare facilmente un parametro di progetto, come la lunghezza d'onda di un componente, e testarlo tutte le volte che vorrete senza dover ripetere l'intera simulazione. Potrete utilizzare le app per eseguire i vostri test più rapidamente o distribuire le app agli altri membri del vostro team perché possano svolgere i loro test, lasciando a voi tempo e risorse per altri progetti.

Il processo è semplice:

  1. Trasformate il vostro modello ottico in un'interfaccia utente specializzata (un'app)
  2. Personalizzate l'app in base alle vostre esigenze selezionando input e output disponibili per gli utenti dell'app
  3. Utilizzate il prodotto COMSOL Server™ per distribuire l'app agli altri membri del vostro team
  4. Consentite al vostro team di eseguire analisi sul progetto senza bisogno di ulteriore assistenza.

Attraverso le app di simulazione potete estendere la capacità di eseguire simulazioni ai colleghi del vostro team, della vostra organizzazione o istituto, e anche ai vostri clienti e fornitori.

Un esempio di app specializzata utilizzata per analizzare un divisore di fascio polarizzante. Un fascio gaussiano viaggia attraverso due prismi di vetro, separati da una stratificazione di materiali a indice di rifrazione alternato alto e basso. L'onda viene riflessa o meno, in base ai parametri di progettazione e simulazione scelti dall'utente dell'app.

Sviluppa dispositivi fotonici e guide d'onda ottiche per il mondo reale

Se volete che il design della vostra struttura o dispositivo ottico funzioni nel mondo reale, è necessario esaminare anche le influenze di altri fenomeni fisici. Con il software COMSOL Multiphysics® e il Wave Optics Module Potete accoppiare facilmente diversi effetti fisici in un'unica analisi. Molte applicazioni di onde ottiche coinvolgono più fisiche, per esempio il trasferimento di calore nel riscaldamento laser, la meccanica strutturale in analisi di stress ottico e i laser a semiconduttore, solo per citarne alcuni. Con la simulazione multifisica, è possibile accoppiare tutti questi effetti fisici nello stesso ambiente di modellazione per ottenere una simulazione completa.

C'è un altro ambito fisico che influenza il vostro prodotto finale? Combinate il Wave Optics Module con qualsiasi altro modulo, in modo perfettamente integrato: il flusso di lavoro di modellazione rimarrà invariato, indipendentemente dall'area dell'applicazione o dall'ambito fisico che state modellando.

Modello 3D di riscaldamento laser. Riscaldamento laser di un mezzo semitrasparente. Vengono mostrate la temperatura e l'intensità della luce nel materiale.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software

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.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.