Analyser les dispositifs micro- et nano-optiques

Modélisez les problèmes d'optique de grande dimension avec la méthode des enveloppes de faisceau

En complément des méthodes numériques traditionnelles, le module Wave Optics comprend une méthode spécialisée d'enveloppes de faisceau qui peut être utilisée pour simuler les dispositifs optiques de grande dimension avec beaucoup moins de ressources de calcul que les techniques conventionnelles. Cette méthode s'applique aux coupleurs directionnels, les réseaux de Bragg sur fibre, les systèmes de lentilles, les guides d'ondes, les systèmes optiques externes, les coupleurs de fibres optiques, les chaînes de diodes laser et les dispositifs d'émission de faisceaux laser.

La méthode des enveloppes de faisceau analyse les faibles variations de l'enveloppe du champ électrique pour les simulations des systèmes optiques de grande dimension sans utiliser d'approximation. Elle nécessite des maillages beaucoup moins raffinés pour résoudre chaque onde propagative, en comparaison avec les méthodes traditionnelles.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Wave Optics

Effectuez diverses analyses optiques avec le logiciel COMSOL^®.

Une vue rapprochée d'un modèle de fibre optique montrant le champ électrique.

Fibres optiques

Analyse modale et propagation d'ondes dans les fibres optiques.

Une vue rapprochée d'un modèle de faisceau montrant la distribution en spirale de la phase.

Propagation de faisceaux

Propagation d'ondes planes ou de faisceaux Gaussiens dans les diélectriques ou le vide.

Une vue rapprochée d'un modèle de faisceau gaussien se propageant dans un guide optique, visualisé en zig-zag.

Guides d'ondes

Calcul des coefficients de transmission et de réflexion des guides d'ondes.

Une vue rapprochée de deux modèles de coupleurs directionnels montrant le champ électrique.

Coupleurs de guides d'ondes

Analyse du couplage par proximité des champs dans les guides d'ondes.

Diffusion optique

Diffusion des ondes planes et des faisceaux gaussiens.

Une vue rapprochée d'un réseau de fils sur un substrat diélectrique montrant la norme du champ électrique.

Plasmonique

Excitations électromagnétiques des plasmons de surface et polaritons plasmoniques.

Une vue rapprochée d'un modèle de cristal photonique montrant le champ électrique.

Cristaux photoniques

Cristaux photoniques et structures à bande interdite.

Une vue rapprochée d'un modèle de faisceau laser montrant la génération de la seconde harmonique.

Optique non linéaire

Génération de seconde harmonique, effets d'autofocalisation et autres aspects non linéaires.

Une vue rapprochée d'un modèle de cavité laser montrant le champ électrique.

Cavités laser

Fréquences de résonance et condition sur le gain de cavités laser.

Une vue rapprochée d'un modèle de réseau hexagonal avec sept demi-sphères saillantes.

Réseaux et métamatériaux

Transmission, réflexion et diffraction dans les réseaux, métamatériaux et structures périodiques générales.

Une vue rapprochée d'un modèle de guide d'ondes photonique montrant le champ électrique.

Effets optomécaniques¹

Effets de biréfringence induits par les contraintes mécaniques dans les guides d'ondes.

Une vue rapprochée d'un dispositif LED montrant le taux d'émission électroluminescent.

Optoélectronique²

Modification d'émission, d'absorption et d'indice de réfraction dans les dispositifs optoélectroniques.

Nécessite le module Structural Mechanics ou le module MEMS
Nécessite le module Semiconductor

Caractéristiques et fonctionnalités du module Wave Optics

Explorez plus en détail les caractéristiques et fonctionnalités du module Wave Optics en déroulant les sections ci-dessous.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Ondes électromagnétiques, enveloppes de faisceau en surbrillance et un modèle de lentille de Fresnel dans la fenêtre graphique.

Analyses électromagnétiques avec approche ondulatoire complète

Le module Wave Optics vous permet de configurer rapidement et aisément un modèle de géométrie 2D, 2D axisymétrique ou 3D. Des conditions aux limites aussi bien classique qu'avancées sont disponibles pour vos analyses.

La méthode de travail est simple et peut en général être décrite par les étapes suivantes: créer ou importer la géométrie, sélectionner les matériaux, sélectionner une interface Optique ondulatoire appropriée, définir les conditions limites et initiales, définir le maillage, sélectionner un solveur et visualiser les résultats. Toutes ces étapes sont accessibles depuis l'environnement COMSOL Multiphysics^®. Les paramètres de maillage et de solveur sont automatiques et modifiables manuellement.

Les fonctionnalités du module Wave Optics couvrent la simulation des champs électromagnétiques et des ondes sur la base des équations de Maxwell et des lois de comportement qui décrivent la propagation dans divers milieux. Les moyens de simulation sont accessibles via des interfaces utilisateur intégrées, qui vous permettent d'analyser les phénomènes ondulatoires dans les dispositifs optiques et photoniques.

Le module Wave Optics permet la simulation dans les domaines fréquentiel et temporel, ainsi que le calcul des fréquences propres et l'analyse modale.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Analytique en surbrillance et un modèle de fibre optique dans la fenêtre graphique.

Matériaux optiques

Utilisez les matériaux de la base de données intégrée des matériaux optiques ou définissez les vôtres. Vous pouvez spécifier la permittivité relative ou l'indice de réfraction ainsi qu'inclure des propriétés de matériaux plus avancées telles que la dispersion de Debye, de Drude–Lorentz et de Sellmeier. Les matériaux peuvent être anisotropes ainsi qu'à gradation fonctionnelle.

Prenez le contrôle total de votre simulation en modifiant les définitions des matériaux, les équations de Maxwell, ou les conditions aux limites directement dans le logiciel. Cette flexibilité vous permet de créer une variété de matériaux définis par l'utilisateur, y compris des métamatériaux, avec des propriétés optimisées et des matériaux gyromagnétiques et chiraux.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Surface et d'un modèle de réseau de fils plasmoniques dans la fenêtre graphique.

Visualisation et extraction des données

Les résultats sont présentés par l'intermédiaire de graphiques de champs éléctriques et magnétiques, réflectance, transmittance, efficacité de diffraction, paramètres S, flux énergétiques et dissipation, entre autres exemples. Vous pouvez également représenter des expressions non standards, définies librement. Il est ainsi possible de gagner en compréhension en examinant pratiquement chaque aspect des résultats.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Polarisation en surbrillance et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Optique non linéaire

Le module Wave Optics offre plusieurs fonctionnalités permettant de simuler l'optique non linéaire dans les domaines temporel et fréquentiel. Dans le domaine fréquentiel, vous disposez de propriétés matériaux dépendant du champ pour des phénomènes tels que l'autofocalisation, ou vous pouvez coupler plusieurs analyses fréquentielles pour simuler la combinaison de deux ou plusieurs ondes à fréquences différentes pour générer de nouvelles fréquences par sommation ou différence. En incorporant des termes non linéaires de polarisation, cette approche permet de réaliser des simulations non linéaires avec des lasers à ondes continues (CW) ou d'autres phénomènes quasi-stationnaires. Cette flexibilité est similaire dans le domaine temporel, où les termes de polarisation ou de déplacement électrique rémanent sont modifiables afin de simuler des scénarios plus avancés comme par exemple des phénomènes ultrarapides.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Port en surbrillance et un modèle 2D dans la fenêtre graphique.

Conditions aux limites

La modélisation des ondes électromagnétiques exige des conditions limites hautement spécialisées, comprenant la capacité de modéliser des domaines ouverts ainsi que des structures périodiques telles que les métamatériaux. Par exemple, la modélisation d’un métamatériau périodique nécessite des ports périodiques qui peuvent gérer des angles d’incidence et des ordres de diffraction arbitraires. Pour la modélisation générale des guides d’ondes et des fibres optiques, des ports numériques adaptés au mode sont nécessaires pour alimenter correctement les guides d’ondes avec la lumière incidente.

Conditions limites importantes du module Wave Optics

Conducteur électrique parfait (PEC)
Impédance (conductivité finie)
Transition (couche mince de faible conductivité)
Ports périodiques avec ordres de diffraction arbitraires
Périodicité de Floquet ou de Bloch
Conditions de diffusion (absorption) aux frontières
Ports
- Modes analytiques
- Numériques (analyse modale)

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Core en surbrillance et un modèle de modulateur dans la fenêtre graphique.

Effets multiphysiques dans les dispositifs optiques

Le module Wave Optics peut être combiné avec n'importe quel autre module pour simuler des phénomènes multiphysiques, qui s'intègrent tous de manière transparente à la plateforme logicielle COMSOL Multiphysics^®. Cela signifie que le processus de modélisation reste le même, quel que soit le domaine d'application ou la physique que vous modélisez.

Vous pouvez étudier l'influence de la déformation mécanique sur les performances de votre dispositif, notamment les effets opto-mécaniques. De manière similaire, il est possible d'examiner comment le transfert de chaleur, les contraintes et la dissipation thermiques affectent un dispositif.

Enfin, vous pouvez simuler comment divers phénomènes physiques sont utilisés pour des objectifs de modulation, tels que les effets acousto-optiques, électro-optiques et magnéto-optiques.

En combinaison avec la simulation du transport de masse, vous pouvez calculer des profils d'indice de réfraction réalistes avec des coefficients de diffusion anisotropes et utiliser les résultats dans une analyse électromagnétique.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Ordre de diffraction en surbrillance et un modèle de réseau hexagonal dans la fenêtre graphique.

Structures périodiques

Les structures périodiques sont fondamentales pour de nombreuses structures électromagnétiques développées pour des applications telles que l'imagerie polarimétrique et sub-longueur d'onde et l'optique diffractive. Dans le module Wave Optics, modélisez ces structures, y compris leurs modes de diffraction d'ordre élevé, avec des conditions périodiques de Floquet et des ordres de diffraction variables. Grâce à ces fonctionnalités, vous pouvez concevoir avec précision des éléments pour les métasurfaces et autres optiques planes.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Ondes électromagnétiques, domaine fréquentiel et de deux fenêtres graphiques.

Diffusion

Des modèles précis de diffusion de nanoparticules d'or, par exemple, peuvent être facilement réalisés en utilisant une formulation en champ diffusé. Dans cette approche, le module Wave optics vous offre le choix entre une onde plane incidente, un faisceau gaussien (avec ou sans approximation paraxiale) ou une excitation définie par l'utilisateur, puis résout le champ diffusé induit par l'excitation choisie. Le domaine de simulation peut se rapprocher d'un espace infini en absorbant le rayonnement sortant à l'aide des couches parfaitement adaptées (PML), qui absorbent simultanément le rayonnement pour une gamme de fréquences et d'angles d'incidence. En utilisant une transformation champ proche-champ lointain, le rayonnement en champ lointain du diffuseur peut être analysé.

Module Wave Optics

Modélisez les problèmes d'optique de grande dimension avec la méthode des enveloppes de faisceau