COMSOL光器件仿真技術(shù)介紹

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1、COMSOL?Mul)physics?光器件仿真技術(shù)介紹中仿科技安琳(LynnAn)May28,2013仿真智領(lǐng)創(chuàng)新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL光器件仿真?光學(xué)分析–光路分析（成像分析）–光場(chǎng)分析（電磁場(chǎng)分布）?多物理場(chǎng)拓展分析–電-光效應(yīng)–磁-光效應(yīng)–熱、結(jié)構(gòu)、光學(xué)耦合分析–光-力效應(yīng)–微流體中的光力效應(yīng)–半導(dǎo)體物理–更多奇思妙想仿真智領(lǐng)創(chuàng)新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL光學(xué)分析方法D?>>?λD?>?λ D?~?λ 光路分析求解包絡(luò)全波求解束包絡(luò)法光線

2、追跡頻域／時(shí)域(BEM)幾何光學(xué)范疇波動(dòng)光學(xué)模塊精細(xì)度增加計(jì)算量增大仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation光線追跡?適用于結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的情況?忽略光的波動(dòng)性，相當(dāng)于認(rèn)為波長(zhǎng)為0，頻率無(wú)限大?可支持復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和材料?不能考慮衍射效應(yīng)?電磁熱只能在表面估算，沒(méi)有作用深度和體分布，強(qiáng)烈依賴(lài)用戶(hù)經(jīng)驗(yàn)?我們正在積極開(kāi)發(fā)幾何光學(xué)模塊，發(fā)布日期未定。仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation全波求解?適用于特征尺寸和波長(zhǎng)可比擬器件仿真?最大網(wǎng)格單元尺寸hmax必須是波長(zhǎng)的幾分之一

3、–比如最常見(jiàn)的情況，hmax=λ/6.?局限性：以工作波長(zhǎng)為1.55um的硅材質(zhì)半導(dǎo)體激光器為例–諧振腔體積5umx5umx500um=12500um3.–介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)1.55um/3.5=0.44um=>hmax=73nm.–需要的網(wǎng)格單元數(shù)12500/0.0733=31000000!–僅剖分網(wǎng)格，就需要大約25GBRAM!仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation束包絡(luò)法(BeamEnvelopesMethod)Electric??eld?envelope,?E(x)?Electric??eld,?E(x

4、)?1x?E(x)?=?E(x)exp(‐jkx)?11仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation束包絡(luò)法(BeamEnvelopesMethod)Electric??eld?envelope,?E(x)?Electric??eld,?E(x)?1*?*?*?*?*?x?E(x)?=?E(x)exp(‐jkx)?11

5、dE/dx

6、<

7、kE

8、?111仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation數(shù)學(xué)描述?E(r)=E(r)exp(-jkr)11?12?Helmholtz方程?×[μ?

9、×E]?kεcE=0r0r?12整理為(??k)×[μ(??k)×E]?kεcE=01r110r1?以上為嚴(yán)格推導(dǎo)，未引入任何假設(shè)?作為對(duì)比，傳統(tǒng)的束傳播法（BPM）也是求解包絡(luò)，但引入了慢變包絡(luò)近似（SVEA），其提供的是Helmholtz方程的近似解。COMSOL的束包絡(luò)法沒(méi)有引入任何近似假設(shè)。仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation基于COMSOL波動(dòng)光學(xué)模塊的光場(chǎng)分析仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation光場(chǎng)分析?腔模分析–特征值問(wèn)題–諧振腔、波導(dǎo)、光柵、光子晶體等結(jié)

10、構(gòu)的特征頻率及模場(chǎng)分析?傳輸場(chǎng)／散射場(chǎng)分析–光源輻照條件下的光場(chǎng)分布–反射譜、透射譜?損耗／增益介質(zhì)的處理–宏觀處理方法（復(fù)介電常數(shù)／復(fù)折射率）–微觀處理方法（耦合電子振蕩模型／載流子運(yùn)移方程／激光器速率方程等）?普通介質(zhì)的處理–色散模型–非線性效應(yīng)仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation腔模分析?求解類(lèi)型：模式分析–模式分析和邊界模式分析兩個(gè)接口–僅用于描述2D結(jié)構(gòu)，激發(fā)波矢垂直表面–不能考慮縱向的不均勻性–傳播常數(shù)、模場(chǎng)面積計(jì)算?求解類(lèi)型：特征頻率分析–適用于2D或3D結(jié)構(gòu)–用于2D結(jié)構(gòu)時(shí)，支持面內(nèi)任

11、意方向波矢–傳播常數(shù)、Q值計(jì)算、模場(chǎng)體積／面積計(jì)算?支持復(fù)合介質(zhì)類(lèi)型–損耗／增益介質(zhì)（復(fù)介電常數(shù)／復(fù)折射率）–色散模型（Sellmeier／Drude‐Lorentz／Debye／用戶(hù)自定義）仿真智領(lǐng)創(chuàng)新Simulatinginspiresinnovation傳輸場(chǎng)／散射場(chǎng)分析?分析類(lèi)型：總場(chǎng)求解，傳輸場(chǎng)–適用于2D或者3D結(jié)構(gòu)–提供port邊界和散射邊界用于定義入射波源的場(chǎng)分布和入射波矢–提供PML和周期性邊界，PEC/PMC等常用邊界–提供頻域、時(shí)域分析以及BEM分析?分析類(lèi)型：散射場(chǎng)求解–適用于2D或3D結(jié)構(gòu)–使用背景場(chǎng)定義入

12、射光場(chǎng)–自動(dòng)區(qū)分總場(chǎng)和散射場(chǎng)–提供PML和周期性邊界，PEC/PMC等常用邊界–支持頻域和時(shí)域分析?支持復(fù)合介質(zhì)類(lèi)型–損耗／增益介質(zhì)（復(fù)介電常數(shù)／復(fù)折射率，也可耦合半導(dǎo)體模塊分析載流子行為）–色散模型（Sellmeier／Drude‐