Wave Optics Module

Pour la Simulation de la Propagation des Ondes Electromagnétiques dans de Grandes Structures Optiques

Wave Optics Module

Coupleur directionnel formé par deux guides d’ondes en interaction.

Simuler des Composants Optiques

Le Wave Optics Module propose des outils dédiés à la simulation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux optiques linéaires et non linéaires, afin de permettre une simulation précise des composants optiques et une optimisation de leurs designs. A l’aide de ce module, vous pourrez simuler des ondes électromagnétiques à haute fréquence dans les domaines temporel ou fréquentiel au sein de structures optiques. Le module permet la modélisation de milieux optiques très variés, et accepte des matériaux hétérogènes et complètement anisotropes, ainsi que des milieux optiques avec pertes et gains. Plusieurs formulations 2D et 3D sont disponibles dans le Wave Optics Module pour les analyses en fréquence propre, les simulations électromagnétiques dans les domaines fréquentiel ou temporel. Vous pouvez calculer, visualiser et analyser vos simulations à l’aide d’outils de post-traitement dédiés, tels que le calcul automatisé des coefficients de transmission et de réflexion.

Analyser Tous les Types de Milieu Optique

La simulation est directe pour les capteurs optiques, les métamatériaux, les fibres optiques, les coupleurs bidirectionnels, les dispositifs exploitant la plasmonique, les procédés optiques non linéaires en photonique et en propagation des faisceaux lasers. La modélisation peut être réalisée dans différentes dimensions : 2D, 2D axisymétrique et 3D. Des ports peuvent être définis en tant qu’entrées ou sorties, afin de calculer automatiquement les matrices de paramètres S, qui contiennent les propriétés de transmission et de réflexion d’une structure optique. Il est possible d'appliquer des conditions aux limites différentes pour simuler la diffusion, la périodicité d'une structure et des conditions aux limites discontinues. Les couches parfaitement absorbantes (Perfectly-matched layers - PML) sont idéales pour simuler la propagation des ondes électromagnétiques dans des espaces libres, sans frontières, tout en minimisant les coûts de calcul. Les capacités de post-traitement permettent de visualiser, d'évaluer et d'intégrer n’importe quelle quantité physique puisque vous pouvez définir librement des expressions mathématiques des champs et de leurs quantités dérivées.

Images Supplémentaires

  • Un faisceau gaussien traverse un verre optique BK-7 dont l’indice de réfraction est plus élevé au centre de la fibre, ce qui neutralise les effets de diffraction et focalise le faisceau. La figure montre à la fois une image comprimée de la géométrie réelle et le rapport hauteur/largeur véritable de la fibre utilisée lors de la simulation. Un faisceau gaussien traverse un verre optique BK-7 dont l’indice de réfraction est plus élevé au centre de la fibre, ce qui neutralise les effets de diffraction et focalise le faisceau. La figure montre à la fois une image comprimée de la géométrie réelle et le rapport hauteur/largeur véritable de la fibre utilisée lors de la simulation.
  • Densité d’énergie dans une cavité Fabry-Perot sur un intervalle de fréquences. A l’aide de ce module, vous pouvez trouver les fréquences de résonance et les facteurs Q. Densité d’énergie dans une cavité Fabry-Perot sur un intervalle de fréquences. A l’aide de ce module, vous pouvez trouver les fréquences de résonance et les facteurs Q.
  • Une sphère en or est illuminée par une onde plane et la diffusion est mesurée. Les rayonnements en champ lointain dans le plan E (bleu) et le plan H (vert) sont indiqués, de même que les pertes de chaleur résistive. Une sphère en or est illuminée par une onde plane et la diffusion est mesurée. Les rayonnements en champ lointain dans le plan E (bleu) et le plan H (vert) sont indiqués, de même que les pertes de chaleur résistive.

Des Outils Variés pour Simplifier les Simulations Optiques

Le Wave Optics Module permet de simuler des milieux optiques avec des propriétés matériaux non homogènes, anisotropes, non linéaires et dispersifs, comme la conductivité, l’indice de réfraction ou la perméabilité. Pour ce faire, COMSOL Multiphysics vous donne accès aux tenseurs 3 x 3 qui conviennent, si votre propriété est anisotrope, et vous permet d’entrer des équations algébriques arbitraires pour ces propriétés de matériaux dans le cas de matériaux non linéaires, non homogènes et dispersifs. Pour des analyses paramétrées des longueurs d’onde ou des fréquences, vous pouvez définir les propriétés du matériau, y compris des expressions en fonction de la variable de fréquence ou de longueur d’onde. La facilité d'écriture des équations et desmathématiques sous-jacentes décrivant les propriétés matériau font du Wave Optics Module l’outil parfait pour modéliser les matériaux difficiles à décrire, tels que les matériaux gyromagnétiques et métamatériaux ayant des propriétés sophistiquées. Le module comprend également des fonctions très utiles de simulation des structures périodiques de type Floquet avec des modes de diffraction d’ordre supérieur et lds matériaux à gradient d’indice.

Considérer les Effets d’Autres Physiques sur l’Optique Ondulatoire

Comme c’est le cas pour tous les produits COMSOL, le Wave Optics Module s’intègre parfaitement avec tous les modules de COMSOL Multiphysics. Cette intégration permet d’associer d’autres physiques à la propagation des ondes électromagnétiques. Par exemple, vous pouvez surveiller l'échauffement laser ou les effets des contraintes et déformations mécaniques sur la propagation de la lumière à travers des composants optiques.

Modélisation Optique Précise grâce à la Méthode Innovante d’Enveloppe de Faisceaux

Dans les études de propagation des ondes électromagnétiques en fonction du temps, il est souvent supposé que toutes les variations temporelles dépendent de signaux sinusoïdaux, ce qui rend le problème temporel harmonique dans le domaine fréquentiel. Le Wave Optics Module propose des interfaces qui simulent de tels problématiques. Vous pouvez simuler des problèmes non-linéaires si la distorsion du signal est faible, grâce à certaines fonctions disponibles dans le module. Si l’influence non-linéaire est importante, vous devrez cependant effectuer une étude temporelle complète de votre composant.

Lorsque vous résolvez des problèmes de propagation optique à l’aide de méthodes traditionnelles, un nombre important d’éléments est requis pour résoudre chaque onde qui se propage. Des longueurs d’ondes courtes interviennent nécessairement lors de la simulation de la propagation de la lumière. En général, des ressources de calcul importantes sont nécessairess pour la simulation de composants et de dispositifs, grands devant la longueur d’onde. A l’opposé, le Wave Optics Module aborde ces types de simulation à l’aide de la méthode innovante d’enveloppe de faisceaux.

Cette méthode innovante pour la propagation des ondes électromagnétiques permet d’éviter le recours aux approximations traditionnelles, en discrétisant directement les équations de Maxwell. Ainsi, le champ électrique est exprimé en tant que produit d’une fonction enveloppe à variation lente et d’une fonction de phase à variation exponentielle. Cela permet de réaliser des simulations précises de systèmes optiques importants pour lesquels les dimensions géométriques sont beaucoup plus grandes que la longueur d’onde et où les ondes lumineuses ne peuvent pas être modélisées par des rayons. La résolution complète des équations de Maxwell est également disponible dans le Wave Optics Module et peut être utilisée pour simuler la propagation des ondes électromagnétiques dans des géométries plus petites.

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

Nanorods

Photonic Crystal

Plasmonic Wire Grating

Directional Coupler

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Step Index Fiber Bend with Bending Loss

Gaussian Beam Incident at Brewster Angle

Second Harmonic Generation from a Gaussian Beam

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial

Dielectric Slab Waveguide