波动光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“波动光学模块”的用户引入了平板和矩形波导元件的新零件库、三个新的教学案例,以及一个电磁波,边界元 接口。请阅读以下内容,进一步了解这些更新。

电磁波,边界元

对物体的散射属性进行建模、计算远离散射体的电场或放置在大型电平台上的天线的远场时,基于边界元法 (BEM) 的公式可以提高计算效率。新增的物理场接口称为电磁波,边界元,以电场为因变量,求解分段常数材料属性的矢量亥姆霍兹方程。边界元法 (BEM) 可与有限元法 (FEM) 耦合,即混合边界元-有限元法,以计算场以及与有限元域外其他导电物体的相互作用。

平板和矩形波导元件的零件库

用于平板和矩形波导元件的新“波动光学模块”零件库简化了复杂波导结构的构建,其中包含以下波导元件的零件:

  • 直波导
  • 锥形波导
  • 弯(环形)波导
  • S 弯波导
  • 耦合器

这些零件是完全参数化的,包含预定义的材料域选择、物理场特征选择,并简化了网格生成。马赫-曾德尔调制器模型现在采用 S 弯定向耦合器直波导 零件构建,这使得定义材料域、物理场特征选择和网格变得更加容易。光学环形谐振腔陷波滤波器模型现在采用直至环形耦合器 零件构建,这使得使用映射网格变得更加容易。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“矩形波导直至环形耦合器”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示环形耦合器模型。
矩形波导直至环形耦合器 零件的设置。

多层过渡边界条件

多个薄层,如电路板上的镀金铜线或光学透镜上接近法向入射的抗反射涂层,可以用新增的多层过渡边界条件 特征来描述。它需要将这个边界条件与全局材料 中的多层材料 特征以及组件材料 节点中的多层材料链接 特征结合起来。您可以在环形耦合器教学案例中查看这一新特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“多层过渡边界条件”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示环形耦合器模型。
环形耦合器教学案例中采用的新的“多层过渡边界条件”。

新的教学案例

六边形等离子体滤色镜

六边形等离子体滤色镜教学案例演示如何基于薄铝层中的六边形孔阵列为吸收带阻滤色镜执行仿真。虽然结构是六边形周期性,但此例还介绍了如何将模型设置为矩形周期性,从而更容易使用阵列数据集绘制多个基本单元的结果。由于矩形基本单元比六边形单元大,因此内存消耗更多,求解时间更长。

六边形周期性基本单元阵列,其中显示电场。
六边形周期性基本单元阵列的电场图。

用于多路分解的光子晶体的优化

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本中发布的用于多路分解的光子晶体的优化教学案例已更新,现在包含新的六边形几何,目标是最大限度地提高两个窄频带之间的输出功率比,同时限制来自下方的损耗,通过让砷化镓柱改变位置(而不是形状)来实现。

二维绘图,显示光子晶体模型的波传播。
优化几何中的波传播。对于该波长,顶部端口的传输最大,底部端口的传输最小。

回音壁模式谐振器

回音壁模式谐振器教学案例介绍如何计算具有高光学品质因子的回音壁模式谐振器的不同特征模态和谐振频率。谐振频率通过两种方式过滤:通过它们在谐振器中的空间定位,或通过比较束缚模和空气模的损耗(本例中不需要)。

回音壁模式谐振器的一个扇区,以 Wave 颜色表显示场图。
回音壁模式谐振器扇区的场图。

光学材料库改进

在可用于“射线光学模块”和“波动光学模块”的“光学”材料库中,来自肖特集团、成都光明光电股份有限公司、Ohara 公司和康宁公司的玻璃现在具有更全面的材料数据。除了光学色散系数和热光系数外,许多玻璃现在还包含内部透射率、密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、热导率和比热容。随着光学玻璃包含更全面的材料数据,现在比以往任何时候都更容易建立耦合的综合结构-热-光学性能 (STOP) 分析模型。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示一个材料节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示 Petzval 透镜模型,“添加材料”窗口显示光学材料选项。
追踪 Petzval 透镜中三个不同视场角的射线,其中 d-line 折射率显示为切面图。光学玻璃从右侧显示的“光学”材料库加载。

移位拉普拉斯在多重网格级别的贡献

如果没有小于半个波长的几何特征尺寸,且工作频率较高,使用更高阶单元(如立方体单元离散化)进行建模有利于加快计算速度。通过选中多重网格 研究设置下的移位拉普拉斯在多重网格级别的贡献 复选框,可以进一步提高计算效率。

平滑热源计算

新版本在电磁波,波束包络 接口的双向公式中添加了一个新的使用平均损耗计算 选项,可用于移除网格未解析的两个波之间的交叉项。如果这种空间上快速变化的热源分布以任何方式被传热冲掉,在计算电磁损耗(和热源)时排除交叉项是有利的。

无约束端口公式

使用无约束端口 选项可用于将展开系数计算为重叠积分,而在默认端口公式中,展开系数(或 S 参数)的计算方法是先为每个系数添加标量因变量,然后添加约束来实施级数展开。使用多个端口时,这个新选项不需要消除约束,因此更加方便。

对称轴参考点

新增的对称轴参考点 特征有助于定义二维轴对称的高斯光束输入场。在散射边界条件匹配边界条件 节点中,当定义入射场时,此特征将作为默认子节点添加。对称轴参考点 特征在父节点的边界选择与对称轴之间的交点处定义参考位置。

周期性结构的迭代求解器建议

典型的周期性问题用直接求解器求解。但是,当周期性基本单元大小不是亚波长时,直接求解器会消耗大量内存。这种情况下,切换到建议的迭代求解器 可以更快地完成计算,同时减小内存使用率。

开口谐振环阵列模型,其中显示电场模。
新的迭代求解器建议为周期性结构带来了显著的性能提升。

数值端口模场的默认绘图

为了简化对端口模场的检查,现在在使用数值 端口类型时会自动创建这些模场。您可以在更新的定向耦合器光学环形谐振腔陷波滤波器教学案例中查看这个默认绘图。

定向耦合器模型,以 Rainbow 颜色表显示端口模场的表面图。
端口模场的表面图,包含定向耦合器模型的有效折射率注释。

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