波動光学モジュール

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

波動光学モジュール

光学素子:この光導波路の例では、リングに沿う波が伝播し、直線導波路を伝播する波と干渉します。場の連続境界条件を使って不連続な位相をもつ境界での場を連続に接続します。

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、双方向カップラー、プラズモニックデバイス、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 次元軸対称、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 パラメーター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、可視化、評価、積分できます。


事例紹介

  • DRUDE-LORENTZ SLIT: An incoming plane wave pulse with a flat front and a Gaussian temporal shape is illuminated over a geometry consisting of a single dispersive slab with a subwavelength slit. Periodic boundary conditions are applied to create an array of slits. DRUDE-LORENTZ SLIT: An incoming plane wave pulse with a flat front and a Gaussian temporal shape is illuminated over a geometry consisting of a single dispersive slab with a subwavelength slit. Periodic boundary conditions are applied to create an array of slits.
  • HEXAGONAL GRATING: A plane wave is incident on a reflecting hexagonal grating that consists of a protruding semisphere. Scattering coefficients for the different diffraction orders are calculated for several wavelengths. HEXAGONAL GRATING: A plane wave is incident on a reflecting hexagonal grating that consists of a protruding semisphere. Scattering coefficients for the different diffraction orders are calculated for several wavelengths.
  • PHOTONIC CRYSTAL: A waveguide can be built using an array of high refractive index posts that has a photonic band gap. Over certain frequency ranges, good guiding is observed. PHOTONIC CRYSTAL: A waveguide can be built using an array of high refractive index posts that has a photonic band gap. Over certain frequency ranges, good guiding is observed.
  • PLASMONIC WIRE GRATING: An array of silver cylinders patterned on a substrate is modeled by one unit cell using Floquet periodicity. Higher-order diffraction is captured during the simulation. PLASMONIC WIRE GRATING: An array of silver cylinders patterned on a substrate is modeled by one unit cell using Floquet periodicity. Higher-order diffraction is captured during the simulation.
  • SCATTERING NANOSPHERE: A nanosized gold sphere is illuminated by a plane wave and the scattering is measured. The gold sphere is characterized by negative and complex-valued permittivity. The model results show the resistive heating losses on the sphere. SCATTERING NANOSPHERE: A nanosized gold sphere is illuminated by a plane wave and the scattering is measured. The gold sphere is characterized by negative and complex-valued permittivity. The model results show the resistive heating losses on the sphere.

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、人工的特性を持つ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、高次回析モードと勾配材料でフロケ-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。

革新的ビームエンベロープ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、これらの現象をシミュレートするさまざまなインター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、デバイスの時間依存性の全面的なスタディが必要です。

従来の方法で光学伝搬問題を解くと、伝搬するすべての波を分解するのにかなりの数の要素が必要になります。光の伝搬をシミュレートするときにはいつも小さな波長が関わってきます。通常、波長に比べて大きな部品やデバイス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エンベロープ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。そこでは、電場を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で表します。これで、幾何学的寸法が、波長よりはるかに大きな系で、それであっても、光の波を光線に近似できないような系でも、正確なシミュレーションが可能になります。波動光学モジュールは従来の電磁全波伝搬方式も含んでおり、小さいジオメトリに対しては従来の方法も適切に使用できます。

Surface Plasmon Resonance

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

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

Photonic Crystal

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial (Wave Optics)

Optical Ring Resonator Notch Filter

Plasmonic Wire Grating Analyzer (Wave Optics)

Polarizing Beam Splitter

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Step-Index Fiber Bend

Mach-Zehnder Modulator

Fiber Simulator

Directional Coupler