Wave Optics Module

Para la simulación de la propagación de ondas electromagnéticas en estructuras de gran tamaño desde el punto de vista óptico

Wave Optics Module

OPTICAL DEVICES: In this example of an optical waveguide, a wave propagates around a ring and interferes with a wave propagating in a straight waveguide. The Field Continuity boundary condition is used to make the field continuous on a boundary with a discontinuous phase.

Simulación de componentes de diseño óptico

El módulo Wave Optics proporciona herramientas específicas para la propagación de ondas electromagnéticas en medios ópticos lineales y no lineales que ofrecen una simulación precisa de componentes y la optimización del diseño óptico. Este módulo permite modelar simulaciones de ondas electromagnéticas de alta frecuencia tanto en el dominio frecuencia como en el dominio tiempo en estructuras ópticas. Asimismo, complementa el modelado de medios ópticos, ya que admite materiales no homogéneos y totalmente anisotrópicos, así como medios ópticos con ganancias o pérdidas. El módulo Wave Optics ofrece diversas formulaciones en 2D y 3D para el análisis de modos de eigenfrecuencias y la simulación electromagnética por dominio de frecuencia y de tiempo. Las herramientas de posprocesamiento, como, por ejemplo, el cálculo de los coeficientes de transmisión y reflexión, le permiten calcular, visualizar y analizar sus fenómenos.

Análisis para todo tipo de análisis óptico de medios ópticos

Resulta sencillo simular sensores ópticos, metamateriales, fibras ópticas, acopladores bidireccionales, dispositivos plasmónicos, los procesos ópticos no lineales de la fotónica, así como la propagación de haces láser. Puede realizarse en dominios espaciales 2D, 2D axisimétricos y 3D. Pueden definirse puertos para entradas y salidas, así como para la extracción automática de matrices de parámetros S que contengan las propiedades completas de transmisión y reflexión de una estructura óptica con, posiblemente, diversos puertos. Es posible aplicar una serie de condiciones de límites diferentes para simular condiciones de límites de dispersión, periódicos y de discontinuidad. Las capas de coincidencia perfecta (Perfectly-matched layers, PML) son idóneas para la simulación de la propagación de ondas electromagnéticas en espacios abiertos sin límites; además, permiten mantener los costes informáticos al mínimo. Las funciones de posprocesamiento permiten la visualización, evaluación e integración de prácticamente cualquier cantidad concebible, ya que en ellas usted puede componer libremente expresiones matemáticas de campos y cantidades derivadas.


Additional images:

  • 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.

Amplia variedad de herramientas que simplifican la simulación óptica

El módulo Wave Optics permite la simulación de medios ópticos con propiedades de materiales no homogéneos, anisotrópicos, no lineales y dispersivos: propiedades tales como la conductividad, el índice de refracción, la permitividad o la permeabilidad. Para ello, COMSOL Multiphysics ofrece acceso al tensor 3 por 3 relevante en el caso de que la propiedad sea anisotrópica, o permite introducir cualquier ecuación algebraica arbitraria para dichas propiedades de materiales no lineales, no homogéneos o dispersivos. En el caso de barridos por longitud de onda o frecuencia, usted puede definir propiedades de materiales que incluyan expresiones en la variable de frecuencia o de longitud de onda. Esta flexibilidad de acceso a las ecuaciones y matemáticas subyacentes que describen las propiedades de los materiales hacen de Wave Optics un módulo perfecto para el modelado de materiales de descripción complicada, tales como los materiales giromagnéticos o metamateriales con propiedades diseñadas. Asimismo, incluye funciones de gran utilidad para la simulación de estructuras periódicas de Floquet con modalidades de difracción de orden superior, así como materiales de índice escalonado.

Tener en cuenta los efectos de otros fenómenos en Wave Optics

Al igual que con todos los demás productos de COMSOL, el módulo Wave Optics se integra a la perfección con COMSOL Multiphysics y otros módulos complementarios. Esta integración permite que usted conecte otras propiedades físicas con la propagación de ondas electromagnéticas. Por ejemplo, puede vigilar el calentamiento del láser, o el efecto de las tensiones estructurales y de las deformaciones sobre la propagación de la luz a través de componentes y dispositivos ópticos.

Modelado óptico exacto con el innovador método de envoltura de haces

En los estudios sobre la propagación de ondas electromagnéticas dependientes del tiempo, a menudo se presupone que todas las variaciones en el tiempo se producen en forma de señales sinusoidales, con lo que el problema pasa a ser armónico en el tiempo en el dominio frecuencia. El módulo Wave Optics ofrece una serie de interfaces para simular este tipo de fenómenos. Gracias a unas funciones determinadas incluidas en el módulo, también puede simular problemas no lineales en los que la distorsión de la señal sea mínima. Si la influencia no lineal es fuerte, es necesario realizar un estudio completo, dependiente del tiempo, del dispositivo.

Para resolver problemas de propagación óptica con los métodos tradicionales es necesario un número considerable de elementos para resolver cada onda propagada. Para simular la propagación de la luz, se utilizan prácticamente siempre longitudes de onda reducidas. Habitualmente son necesarias grandes cantidades de recursos informáticos para modelar componentes y dispositivos que son de gran tamaño en comparación con la longitud de onda. En cambio, el módulo Wave Optics aborda estos tipos de simulaciones mediante el innovador método de envoltura de haces.

Mediante este novedoso método para la propagación de ondas completas electromagnéticas se evita la necesidad de usar los enfoques tradicionales, gracias a la discretización directa de las ecuaciones de Maxwell. El campo eléctrico se expresa como el producto de una función de envoltura que va variando lentamente y de una función de fase exponencial que va variando rápidamente. De este modo se obtienen simulaciones exactas de sistemas ópticos de gran tamaño, donde las dimensiones geométricas pueden ser mucho mayores que la longitud de onda y donde no es posible aproximarse mediante rayos a las ondas luminosas. No obstante, el método convencional de propagación de ondas completas electromagnéticas está también disponible en el módulo Wave Optics, y puede utilizarse perfectamente en geometrías más pequeñas.

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

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

Surface Plasmon Resonance

Photonic Crystal

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial (Wave Optics)

Plasmonic Wire Grating (Wave Optics)

Step-Index Fiber Bend

Defining a Mapped Dielectric Distribution of a Metamaterial Lens (Wave Optics)

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Plasmonic Wire Grating Analyzer (Wave Optics Simulation App)

Self-Focusing

Nanorods

Dielectric Slab Waveguide