Wave Optics Module

光学的に大規模な構造における電磁波伝搬のシミュレーション用

Wave Optics Module

指向性カプラーは、2 つの相互作用導波管で構成されています。

光学設計構成要素のシミュレーション

波動光学モジュールには、正確な構成要素をシミュレートし光学設計を最適化するための、線形光媒体と非線形光媒体における電磁波伝搬の専用ツールがあります。このモジュールで、高周波数電磁波のシミュレーションを、光学構造の周波数領域と時間領域のいずれかでモデル化できます。さらにこのモジュールでは、不均質で完全に異方性の材料と、増幅または減衰特性の光媒体をサポートして、光媒体のモデル化を実現しています。波動光学モジュールでは、固有周波数モード解析、周波数領域および時間領域の電磁シミュレーションに、いくつかの 2 次元定式化と 3 次元定式化を利用できます。現象は、伝達係数と反射係数の計算などの後処理ツールで、計算、視覚化、解析できます。

あらゆるタイプの光媒体の解析

光学センサー、メタマテリアル、光ファイバー、双方向カプラー、プラズモン装置、光通信における非線形光学的プロセス、そしてレーザービーム伝搬をシミュレートするのは簡単です。これは、2 次元、2 次元軸対象、3 次元空間領域で実行できます。ポートは入出力に定義できるほか、複数のポートが存在する可能性のある、光学的構造の完全透過特性と反射特性を含む S パラメータマトリックスの自動抽出にも定義できます。散乱、周期、連続境界の条件のシミュレートにはさまざまな異なる境界条件を適用できます。完全整合層 (PML) は、無限の自由空間に対する電磁波伝搬のシミュレーションに理想的であり、一方で計算コストは節約できます。場と導出量の数学式を自由に作成できるので、後処理機能では、どのような数量でも、視覚化、評価、インテグレーションできます。

事例紹介

  • ガウスビームが BK-7 光学ガラスに発射されました。屈折率はファイバーの中心で最大です。また回析効果を弱め、ビームの焦点を合わせます。図は、縮小されていますが、シミュレーションで使用した実際のアスペクト比です。 ガウスビームが BK-7 光学ガラスに発射されました。屈折率はファイバーの中心で最大です。また回析効果を弱め、ビームの焦点を合わせます。図は、縮小されていますが、シミュレーションで使用した実際のアスペクト比です。
  • 周波数範囲におけるファブリ-ペローキャビティ内のエネルギー密度。これは共鳴周波数と Q ファクタです。 周波数範囲におけるファブリ-ペローキャビティ内のエネルギー密度。これは共鳴周波数と Q ファクタです。
  • 金の球は、平面波で輝き、散乱が測定されています。E 平面 (青) と H 平面 (緑) のファーフィールド放射パターンと抵抗加熱損失。 金の球は、平面波で輝き、散乱が測定されています。E 平面 (青) と H 平面 (緑) のファーフィールド放射パターンと抵抗加熱損失。

光学シミュレーションをシンプルにしたさまざまなツール

波動光学モジュールでは、伝導性、屈折率、誘電率、あるいは透過性など、不均質で異方性の非線形な分散的材料特性の光媒体をシミュレートできます。そのため、COMSOL Multiphysics では、特性が異方性の場合や、これらの材料特性を非線形、不均質、あるいは分散的材料として任意の代数方程式を入力した場合、関連する 3x3 テンソルをアクセスできます。波長や周波数のスイープでは、周波数や波長変数に式を取り込んだ材料特性を定義できます。材料特性を記述する基本方程式や数学をアクセスできるこの柔軟性のおかげで、波動光学モジュールは、磁気回転や、工学的特性メタマテリアルといった、記述が困難な材料のモデル化にとって完璧なモジュールになっています 。また、高次回析モードとグレーデッドインデックス材料でフロケ-周期構造をシミュレートできる重要な機能も組み込まれています。

波動光学のその他減少の効果

すべての COMSOL 製品と同様に、波動光学モジュールは COMSOL Multiphysics やその他のアドオンモジュールとシームレスに統合できます。このモジュールとのインテグレーションにより、他の物理特性を電磁波の伝搬と連成できます。たとえば、レーザー加熱、光学装置や構成要素による光の伝搬に対する構造応力と変形の影響をモニタリングできます。

革新的ビーム包絡手法による正確な光学モデル化

電磁波伝搬の時間依存性のスタディでは、時間内のすべての変化が、正弦曲線信号として発生することを前提とし、周波数領域で時間調和的な問題を想定するのが普通です。波動光学モジュールには、これらの減少をシミュレートするさまざまなインタフェースが組み込まれています。また、モジュールに組み込まれた一定の機能のおかげで信号の歪みが小さい、非線形問題もシミュレートできます。非線形の影響が強い場合、装置の時間依存性の全面的なスタディが必要です。

従来法で光学伝搬問題を解決すると、伝搬波ごとの解決にかなりの数の要素が必要です。光の伝搬をシミュレートすると、小さな波長が必ず関わってきます。通常、波長に比べて大きな構成要素や装置をモデル化しようとすると、大量の計算リソースが必要になります。波動光学モジュールでは、これらのタイプのシミュレーションに革新的なビーム包絡線方式で対応しました。

この新方式の電磁全波伝搬では、マックスウェルの方程式の直接離散化により、従来の近似化の必要性を克服しました。ここで、電界は、ゆっくり変化する包絡関数と急速に変化する指数関数の積を表します。これで、幾何学的寸法が、波長よりはるかに大きく、光波を光線に近似できない光学的に大規模なシステムでも、正確なシミュレーションが可能になります。従来の電磁全波伝搬方式は、波動光学モジュールでも有効であり、小さいジオメトリであれば適切に使用できます。

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

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Nanorods

Plasmonic Wire Grating

Directional Coupler

Defining a Mapped Dielectric Distribution of a Metamaterial Lens

Second Harmonic Generation from a Gaussian Beam

Photonic Crystal

Mach-Zehnder Modulator

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial

Self-Focusing