波動光学モジュール

マイクロ/ナノ光学デバイスの解析

COMSOL Multiphysics® ソフトウェアプラットフォームのアドオンである波動光学モジュールは, エンジニアや科学者が光学アプリケーションでの電磁波の伝播と共振の影響を理解, 予測, 研究するために使用します. 提案された設計で電磁界分布, 透過係数と反射係数, および消費電力を解析することにより, この種のシミュレーションはより強力で効率的な製品とエンジニアリング手法につながります.

フォトニックデバイス, 集積光学, 光導波路, カップラー, 光ファイバーなどの設計を最適化するには, 実際のシナリオを考慮する必要があります. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのマルチフィジックスモデリング機能は, たとえば, 応力光学, 電気光学, 音響光学効果, および電磁加熱などにおいて, 他のフィジックスが光学構造にどのように影響するかを研究するのに役立ちます.

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ヒートカメラのカラーテーブルで電界を表示した光リング共振器モデル.

ビームエンベロープ法による光学的に大きな問題のモデル化

従来の数値手法に加えて, 波動光学モジュールには, 従来の手法よりもはるかに少ない計算リソースで光学的に大きなデバイスをシミュレートするために使用できる特殊なビームエンベロープ手法が含まれています. アプリケーションには, 指向性カップラー, ファイバーブラッググレーティング, レンズ系, 導波路, 外部光学系, ファイバーカップリング, レーザーダイオードスタック, およびレーザービーム伝搬系が含まれます.

ビームエンベロープ法は, 近似に依存することなく光学的に大きなシミュレーションのためにゆっくりと変化する電場エンベロープを解析します. 従来の方法と比較した場合, 各伝播波を解像するために必要なメッシュ要素ははるかに少なくなります.

 

波動光学モジュールでモデル化できること

COMSOL® ソフトウェアで様々な光学解析を実行しましょう.

電場を示す光学ファイバーモデルの拡大図.

光学ファイバー

光学ファイバーのモード解析と波動伝搬

スパイラル位相分布を示すビームモデルの拡大図.

ビーム伝搬

誘電体中または自由空間中を伝搬するガウシアンビームまたは平面波.

ジグザグパターンで示される光ガイドを伝搬するガウシアンビームの拡大図.

導波路

導波路の透過と反射係数の計算.

電場を示す指向性カップラーモデルの拡大図.

導波路カップラー

近接導波路同志の結合場解析.

光学散乱を示す金ナノ球モデル.

光学散乱

平面波とガウシアンビームの散乱.

電場ノルムを示す誘電体基板上のワイヤーグレーティングの拡大図.

プラズモニクス

表面プラズモンとプラズモンポラリトンの電磁励起.

電場を示すフォトニック結晶モデルの拡大図.

フォトニクス結晶

フォトニクス結晶とバンドギャップ構造.

第二高調波生成を示すレーザービームモデルの拡大図.

非線形光学

第二高調波生成, セルフフォーカス効果, および他の非線形効果.

電場を示すレーザー共振器モデルの拡大図.

レーザー共振器

レーザー共振器の共振周波数と閾値ゲイン.

7つの半球によるヘキサゴナルグレーティングの拡大図.

回折格子とメタマテリアル

回折格子と一般周期構造の透過, 反射, および回折.

電場を示すフォトニック導波路モデルの拡大図.

応力光学効果1

導波路の応力光学効果による複屈折.

蛍光放射率を示す LED デバイスの拡大図.

オプトエレクトロニクス2

オプトエレクトロニクスデバイスの放射, 吸収, および屈折率変化.

  1. 構造力学モジュールまたは MEMS モジュールが必要です
  2. 半導体モジュールが必要です

波動光学モジュールの機能

以下のセクションを展開して波動光学モジュールの機能を詳しく調べてください.

電磁波 (ビームエンベロープ) ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウにフレネルレンズモデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

完全波動解析

波動光学モジュールを使用すると, 2D , 2D 軸対称, および3D ドメインでモデルをすばやく簡単に設定できます. 基本条件と高度な境界条件の両方を使用することができます.

ワークフローは単純で, 一般に次の手順で説明できます. ジオメトリの作成またはインポート, 材料の選択, 適切な波動光学インターフェースの選択, 境界と初期条件の定義, メッシュの定義, ソルバーの選択, 結果の可視化. これらの手順はすべて COMSOL Multiphysics® 環境からアクセスできます. メッシュとソルバーの設定は自動で, 手動編集のオプションがあります.

波動光学モジュールの機能は, マックスウェル方程式に基づく電磁場と波のシミュレーションと, さまざまな媒体での伝播に関する物質的な法則をカバーしています. モデリング機能には, 組込みのユーザーインターフェースを介してアクセスします. これにより, 光学およびフォトニックデバイスの波動現象を解析できます.

波動光学モジュールでは, 固有周波数を含む周波数および時間領域でのモデリング, およびモード解析が可能です.

解析ノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに光ファイバーモデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

光学材料

組込みの光学材料データベースの材料を使用するか, 独自の材料を定義します. 比誘電率または屈折率を指定できるだけでなく, デバイ, ドルーデローレンツ, セルマイヤー分散などのより高度な材料特性を含めることができます. 異方性だけでなく, 分布材料も考慮することが可能です.

材料定義, マックスウェル方程式, または境界条件をソフトウェア内で直接変更することによりシミュレーションを完全に制御できます. この柔軟性により, メタマテリアル, 工学的特性を備えたメタマテリアル, 磁気ジャイロおよびキラル材料など, さまざまなユーザー定義の材料を作成できます.

グラフィックスウィンドウのサーフェスノード設定とプラズモニックワイヤーグレーティングモデルの拡大図.

データの可視化と抽出

結果は, たとえば, 電場と磁場, 反射率, 透過率, 回折効率, S パラメーター, パワー流れ, および散逸のプロットを使用して表示されます. また, 自由に定義できる物理量の観点から, 非標準の式の可視化を作成することもできます. これにより, 結果のほぼすべての側面を調査できるようになるため, より深い洞察を得ることができます.

偏光ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに1D プロットが表示されたモデルビルダーの拡大図.

非線形光学

波動光学モジュールは, 時間領域と周波数領域の両方で非線形光学をシミュレートするためのいくつかの機能を提供します. 周波数領域では, セルフフォーカシングなどの現象に対して場に依存する材料特性を持つことができます. または, 複数の周波数領域解析を組み合わせて, 和周波発生や差周波発生などの異なる周波数での2つ以上の波の混合をモデル化できます. このアプローチでは, 非線形偏光項を組み込むことにより, 連続波 (CW) レーザーまたはその他の準定常状態の現象を使用した非線形シミュレーションが可能になります. 時間領域にも同様の柔軟性があり, 分極または残留電気変位項を変更して, 超高速現象などのより高度なモデリングシナリオを可能にすることができます.

ポートノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに2D モデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

境界条件

電磁波のモデリングには, 境界のないドメインやメタマテリアルなどの周期構造をモデリングする機能など, 高度に特殊化された境界条件が必要です. たとえば, 周期的なメタマテリアルのモデリングには, 任意の入射角と回折次数を処理できる周期ポートが必要です. 導波路と光ファイバの一般的なモデリングでは, 導波路に入射光を適切に供給するために, 数値モードが一致したポートが必要です.

波動光学モジュールの重要な境界条件

  • 完全導体 (PEC)
  • インピーダンス (有限導電率)
  • 遷移 (損失性導電性薄膜)
  • 周期ポート (回折次数付き)
  • フロケ (ブロッホ周期性)
  • 散乱 (吸収) 境界
  • ポート
    • 解析的形状
    • 数値 (モード適合)
コアノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに変調器モデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

光学デバイスのマルチフィジックス効果

波動光学モジュールは他のモジュールと組み合わせて, マルチフィジックス現象をシミュレートできます. これらはすべてコア COMSOL Multiphysics® ソフトウェアプラットフォームとシームレスに統合されます. これは, モデリングするアプリケーション領域やフィジックスに関係なく, モデリングワークフローが同じままであることを意味します.

応力光学効果など, 機械的変形がデバイスのパフォーマンスに与える影響を調べることをお勧めします. 同様に, 熱伝達, 熱応力, および熱放射がデバイスにどのように影響するかを調べることができます.

さらに, 音響光学, 電気光学, 磁気光学効果など, さまざまな物理現象を変調の目的でどのように使用できるかをシミュレートできます.

物質輸送シミュレーションと組み合わせることにより, 異方性拡散係数を使用して現実的な屈折率プロファイルを計算し, その結果を電磁気解析に使用できます.

回折次数ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウにヘキサゴナルグレーティングモデルが表示されたモデルビルダーの拡大図.

周期構造

周期構造は, 偏光およびサブ波長イメージングや回折光学などのアプリケーション向けに開発されている多くの工学的電磁構造の基本です. 波動光学モジュールでは, フロケ周期条件とさまざまな回折次数を使用して高次回折モードを含むこれらの構造をモデル化できます. これらの機能を使用すると, メタサーフェスやその他のフラットな光学系の要素を正確に設計できます.

電磁波 (周波数領域) ノード設定, および2つのグラフィックスウィンドウの拡大図.

散乱

たとえば, 金ナノ粒子の正確な散乱モデルは散乱場定式化を使用して簡単に実現できます. このアプローチでは, 波動光学モジュールは, 入射平面波, ガウシアンビーム (近軸近似ありとなしの両方), またはユーザー定義の励起の選択肢を提供し, 選択された励起によって誘発された散乱場を求解します. シミュレーションドメインは, ある範囲の周波数と入射角の放射線を同時に吸収する完全整合層 (PML) を使用して外向き放射場を吸収することにより, 無限空間を近似できます. 近接場から遠方場への変換を使用して, 散乱体の遠方場放射を解析できます.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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