COMSOL光器件仿真技术介绍

仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation中仿科技May28,2013COMSOL  Mul)physics  光器件仿真技术介绍安琳(LynnAn)仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation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Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOL光学分析方法D    λ 光路分析  光线追迹  D    λ 求解包络  束包络法  (BEM)  D  ~  λ 全波求解 频域／时域  精细度增加计算量增大波动光学模块几何光学范畴仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation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– 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仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation束包络法(BeamEnvelopesMethod)Electric  field  envelope,  E1(x)  Electric  field,  E(x)  x  E(x)  =  E1(x)exp(-­‐jk1x)  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationElectric  field  envelope,  E1(x)  Electric  field,  E(x)  x  E(x)  =  E1(x)exp(-­‐jk1x)  |dE1/dx|  |k1E1|  *  *  *  *  *  束包络法(BeamEnvelopesMethod)仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation数学描述• E(r)=E1(r)exp(-jk1r)• Helmholtz方程整理为• 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。∇×[µr−1∇×E]−k02εrcE=0(−∇k1)×[µr−1(−∇k1)×E1]−k02εrcE1=0仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation光场分析基于COMSOL波动光学模块的仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation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-­‐Lorentz／Debye／用户自定义）  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• SPP光栅反射谱、透射谱分析– 一维周期性结构– 2D结构仿真，使用port激发– 反射谱和透射谱用S参数直接表示  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• SPP周期结构散射分析– 二维周期性结构– 3D结构仿真，使用背景场激发– 反射谱和透射谱用功率积分计算  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• SPP加增益介质周期结构散射分析– 二维周期性结构– 3D结构仿真，使用背景场激发– 损耗介质和增益介质用复折射率定义– 反射谱和透射谱用功率积分计算  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• SPP环形结构散射分析– 径向偏振– 2D轴对称结构仿真，使用散射边界激发  Weibin  Chen  et.,  al,  “Op)mal  Plasmon  Focusing  with  Spa)al  Polariza)on  Engineering”  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• 波导耦合器分析– 3D结构仿真，使用port激发– 利用边界模分析获得激发模式– 反射谱和透射谱用S参数计算– 大尺寸BEM求解  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation• 非线性光学玻璃中的自聚焦– 3D结构仿真，使用散射边界激发– 高斯聚焦光束– 玻璃是BK-7– 大尺寸BEM求解  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation光电半导体分析光学分析的多物理拓展部分内容引用了江苏大学李孝峰教授在2013年COMSOL中国区用户大会的报告仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation静电场和载流子输运方程  引入光生载流子源项  载流子浓度较高时还需考虑Auger复合  表面复合通过表面缺陷对浓度分布  的影响考虑进SRH或者Auger复合  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation边界条件的处理  绝缘边界  电极接触边界  其他接触使用电流边界  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation加载  -­‐  1  V  偏置电压  （a）空穴浓度分布  （b）电子浓度分布  （c）x＝1um处沿y方向的                      电子和空穴浓度变化  （d）静电势分布  未考虑光生载流子过程的PN结计算  Simulated  by  COMSOL  Mul)physics  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation加载  +  1  V  偏置电压  （a）空穴浓度分布  （b）电子浓度分布  （c）x＝1um处沿y方向的                      电子和空穴浓度变化  （d）静电势分布  未考虑光生载流子过程的PN结计算  Simulated  by  COMSOL  Mul)physics  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation考虑光生载流子  加载  +  1  V  偏置电压  （a）空穴浓度分布  （b）电子浓度分布  （c）x＝1um处沿y方向的                      电子和空穴浓度变化  （d）静电势分布  Simulated  by  COMSOL  Mul)physics  仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation热透镜光学分析的多物理拓展仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation微透镜／薄膜的受热变形TE10波导(未显示)4µm宽“准直”透镜空气/真空PML无反射截止域仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation10µ-sec1ms100ms1sec局部温度折射率透镜变形仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿