COMSOL光器件仿真技术介绍

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1、COMSOL Mul)physics 光器件仿真技术介绍中仿科技安琳(LynnAn)May28,2013仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL光器件仿真•光学分析–光路分析（成像分析）–光场分析（电磁场分布）•多物理场拓展分析–电-光效应–磁-光效应–热、结构、光学耦合分析–光-力效应–微流体中的光力效应–半导体物理–更多奇思妙想仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL光学分析方法D >> λD > λ D ~ λ 光路分析求解包络全波求解束包络法光线

2、追迹频域／时域(BEM)几何光学范畴波动光学模块精细度增加计算量增大仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation光线追迹•适用于结构尺寸远远大于波长的情况•忽略光的波动性，相当于认为波长为0，频率无限大•可支持复杂的几何结构和材料•不能考虑衍射效应•电磁热只能在表面估算，没有作用深度和体分布，强烈依赖用户经验•我们正在积极开发几何光学模块，发布日期未定。仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation全波求解•适用于特征尺寸和波长可比拟器件仿真•最大网格单元尺寸hmax必须是波长的几分之一

3、–比如最常见的情况，hmax=λ/6.•局限性：以工作波长为1.55um的硅材质半导体激光器为例–谐振腔体积5umx5umx500um=12500um3.–介质内波长1.55um/3.5=0.44um=>hmax=73nm.–需要的网格单元数12500/0.0733=31000000!–仅剖分网格，就需要大约25GBRAM!仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation束包络法(BeamEnvelopesMethod)Electric field envelope, E(x) Electric field, E(x

4、) 1x E(x) = E(x)exp(‐jkx) 11仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation束包络法(BeamEnvelopesMethod)Electric field envelope, E(x) Electric field, E(x) 1* * * * * x E(x) = E(x)exp(‐jkx) 11

5、dE/dx

6、<< 

7、kE

8、 111仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation数学描述•E(r)=E(r)exp(-jkr)11−12•Helmholtz方程∇×[µ∇

9、×E]−kεcE=0r0r−12整理为(−∇k)×[µ(−∇k)×E]−kεcE=01r110r1•以上为严格推导，未引入任何假设•作为对比，传统的束传播法（BPM）也是求解包络，但引入了慢变包络近似（SVEA），其提供的是Helmholtz方程的近似解。COMSOL的束包络法没有引入任何近似假设。仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation基于COMSOL波动光学模块的光场分析仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation光场分析•腔模分析–特征值问题–谐振腔、波导、光栅、光子晶体等结

10、构的特征频率及模场分析•传输场／散射场分析–光源辐照条件下的光场分布–反射谱、透射谱•损耗／增益介质的处理–宏观处理方法（复介电常数／复折射率）–微观处理方法（耦合电子振荡模型／载流子运移方程／激光器速率方程等）•普通介质的处理–色散模型–非线性效应仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation腔模分析•求解类型：模式分析–模式分析和边界模式分析两个接口–仅用于描述2D结构，激发波矢垂直表面–不能考虑纵向的不均匀性–传播常数、模场面积计算•求解类型：特征频率分析–适用于2D或3D结构–用于2D结构时，支持面内任

11、意方向波矢–传播常数、Q值计算、模场体积／面积计算•支持复合介质类型–损耗／增益介质（复介电常数／复折射率）–色散模型（Sellmeier／Drude‐Lorentz／Debye／用户自定义）仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation传输场／散射场分析•分析类型：总场求解，传输场–适用于2D或者3D结构–提供port边界和散射边界用于定义入射波源的场分布和入射波矢–提供PML和周期性边界，PEC/PMC等常用边界–提供频域、时域分析以及BEM分析•分析类型：散射场求解–适用于2D或3D结构–使用背景场定义入

12、射光场–自动区分总场和散射场–提供PML和周期性边界，PEC/PMC等常用边界–支持频域和时域分析•支持复合介质类型–损耗／增益介质（复介电常数／复折射率，也可耦合半导体模块分析载流子行为）–色散模型（Sellmeier／Drude‐