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  • COMSOL光纤建模、光子带隙分析等

    千次阅读 2020-06-01 10:57:13
    为了在 COMSOL Multiphysics®软件和附加的波动光学模块中对上述光子晶体进行建模,使用散射边界条件和 1V/m的振幅表征横向电波(TE)(在 z 方向上极化)通过左边界传播。而其他边界被指定为没有入射场的散射边界...

    用光子晶体弯曲光
    如下图所示,当GaAs柱以周期性方式排列时,能够以一定角度(本例为 90°)弯曲光线,并且还可以充当带通滤波器(也称为光子带隙)。
    光子晶体的示意图
    在这里插入图片描述

    为了在 COMSOL Multiphysics®软件和附加的波动光学模块中对上述光子晶体进行建模,使用散射边界条件和 1V/m的振幅表征横向电波(TE)(在 z 方向上极化)通过左边界传播。而其他边界被指定为没有入射场的散射边界条件。当计算不同波长的入射光模型时,我们得到透射率和反射率的图表,如下所示。
    在这里插入图片描述
    光子晶体的归一化透射率图模型。
    光子晶体的归一化透射率。

    光子晶体光纤建模
    阶跃折射率光纤通过芯层的高折射率引导光,而光子晶体光纤(PCF)由微结构光纤构成,其通过折射率或带隙限制来引导光。在本篇博文中,我们专注于折射率导引的 PCF,其中芯层由包层材料制成,其中填充着空气填充的孔。假设气孔的半径为0.3 *间距,其中间距是相邻孔之间的距离。
    在这里插入图片描述
    指数引导光子晶体的示意图。
    折射率导引 PCF 示意图。

    为绘制色散图(有效折射率与归一化波长),我们对孔径参数从 0.23 um 到 4.69 um 的变化范围下进行模式分析。为了检测基模和高阶模,将搜索的模式数量增加到50。从50个模式中正确识别基模和高阶模将是一个挑战。其中一种方法是,在芯区域中对不同的有效模式指数(或有效折射率)积分。
    在这里插入图片描述
    比较集成在核心区域和光子晶体光纤的有效模式指数。
    孔半径在 4.65um 和15.5μm之间的芯层区域能量积分vs.有效模式指数。

    有两种方法可以过滤掉虚假模式,而仅捕获有意义的基模和高阶模:

    对能量应用过滤器; 例如,所需的有效折射率为ewfd.neff*(intop1(ewfd.Poavz)>P_threshold),其中 P_threshold 为可消除虚假模式的能量
    观察基模和高阶模的有效模式指数以及是否重复
    本例中,我们观察到的基本有效模式指数在40至45之间重复,而高阶模指数数量在20和25之间重复。通过利用这两个标准过滤掉虚假的模式,可以得到真实模式的色散曲线,基本上与参考文献1第9章中的图4匹配。
    在这里插入图片描述
    光子晶体光纤的色散图以 COMSOL Multiphysics® 为模型。
    色散图:有效折射率vs.归一化波长(Ida0/pitch)。

    光子带隙分析
    与光子晶体模型的带隙分析相似,对带隙建模的另一种方法是指定特征值。在这种情况下,模拟GaAs柱的周期性布置,其中柱等距放置。与第一个例子类似,我们不是对GaAs支柱阵列进行建模,而是应用 Floquet 周期性边界条件仅对单个基本单元建模,如下所示。
    在这里插入图片描述
    一个数组的示意图,用于单位逼近a光子带隙。
    从阵列模型转化为+/- X和+/- Y处使用周期性边界条件的单元等效模型。

    对波矢k从0到0.5 进行助参数扫描,以评估(1,1)方向上的色散关系。另外,GaAs 材料的折射率被认为是随频率变化。从下面的色散关系可以看出,在带3和带4之间(也称为光子晶体的带隙)的(1,1)方向上没有EM波传播。
    在这里插入图片描述
    显示a的色散关系的图表光子带隙模拟。
    当波矢在(1,1)方向上从0变化到0.5时的色散关系。

    结语
    对光子晶体器件进行建模有不同的方法,无论是进行不同频率的参数扫描,模式分析还是求解特征值,光子晶体均可以用作滤波器和调制光路的工具,识别是在设计光子集成电路时尤其有用。此外,当执行模式分析时,对芯层区域的能量积分并过滤掉一些虚假模式,有助于获得有意义的基模和高阶模。最后,可以对基本单元以及 Floquet 周期性边界条件进行建模以执行带隙分析。

    下一步
    学习了解有关COMSOL软件中RF及波导光学建模的专用功能的更多信息请扫下方二维码
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  • 基于COMSOL光纤设计

    千次阅读 多人点赞 2019-05-27 23:37:29
    这里我们讲解一个简单的基于COMSOL光纤仿真,COMSOL的版本:COMSOL Multiphysics 5.4。 首先我们打开软件,会出现如下的界面,这里我们选择模型向导,如图所示: 接下来我们会选择空间维度,这里我们选择二维...

    这里我们讲解一个简单的基于COMSOL的光纤仿真,COMSOL的版本:COMSOL Multiphysics 5.4。

    首先我们打开软件,会出现如下的界面,这里我们选择模型向导,如图所示:

    接下来我们会选择空间维度,这里我们选择二维即可,如图所示:

    然后我们在选择物理场里面找到射频->电磁波、频域,然后点击添加,如图所示:

    然后我们选择下面的研究,如图所示:

    然后在选择研究里面选择模式分析,如图所示:

    然后我们在几何中选择单位,设置为um,这里的单位根据需要来设置,如下图所示:

    然后我们选择几何,然后点击右键,添加两个几何圆,这里我们就要设计光纤的几何结构,如图所示:

    这里的半径一个设为8um(即纤芯),一个设为40um(即包层),这里大家根据需要进行设置,进行完几何体的定义之后,我们需要进行材料折射率设定,首先我们需要添加两个材料,步骤跟上面一样,然后我们将一个名称更改为Doped Silica Glass,另一个名称更改为Silica Glass,然后我们需要选择域,这里一一对应即可

    如图所示:

    然后我们在材料属性里面选择电磁模型->折射率->折射率实部->添加到材料,如图所示:

    然后我们将Doped Silica Glass层(纤芯)里面的折射率设置为1.4457,将Silica Glass(包层)层设置为1.4378,如图所示:

    然后我们在电磁波、频域里面设置波动方程,将电位移场设置为折射率,(这里大家会发现刚才打X的地方没有X了)如图所示:

    其它我们就暂时不用管了,默认即可,后面根据需求进行相应的设置即可。

    然后我们在网格设置里面改成超细化,如图所示:

    接下来我们需要进行模式分析的设置,这里的模式分析频率等于光速/入射波长;模式搜索基准值,这里我们将其改为纤芯的折射率即1.4457(一般有效模式折射率都会接近纤芯的折射率),所需模式数为默认即可,其设置图如下所示:

    然后点击计算,这样我们就会得到相应的光纤模型了,这里我们还需要在结果->数据集中进行如下设置:

    然后我们将其有效模式折射率改为1.4444,会得到如下的图:

    这就是我们需要的光纤结构图,我们会发现能量都集中在中心,我们还可以观察不同的效果,这里我们将表达式进行更改,即点击电场->表面,如图所示:

    选择该图标,然后选择组件1->电磁波、频域->电->电场->z分量,点击进行绘制,然后我们将会得到如下的图:

    然后我们还可以添加等值线,点击电场的右键即可,然后我们将场改为然后选择组件1->电磁波、频域->磁->磁场->z分量,最终得到的光纤如下:

    基本的光纤设计流程就如上所示。完。

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  • 一个comsol波动光学模块的练手,光纤横截面的电场磁场分布。 模型参数来自A highly temperature-sensitive photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance。 弧形边界设置是完美匹配层,剩下两个是...
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  • 多芯光子晶体光纤comsol软件设计源文件,可以根据该案例仿真PCF的模场分布,损耗等等,如果有兴趣可以联系我。
  • comsol 仿真

    2013-10-22 09:59:36
    comsol仿真光子晶体光纤,能帮助你进一步学习comsol在光子晶体光纤中的应用。
  • 人们通常听到“光纤”这个词时首先浮现在脑海的可能是这样一幅画面,细如发丝、扭曲成充满艺术感漂亮形状的发光物,或者从灯座中喷涌而出的光之泉。这些能够传导光的二氧化硅光纤,其用途可远远不止于装饰。光纤于...

    人们通常听到“光纤”这个词时,首先浮现在脑海的可能是这样一幅画面,细如发丝、扭曲成充满艺术感漂亮形状的发光物,或者从灯座中喷涌而出的光之泉。这些能够传导光的二氧化硅光纤,其用途可远远不止于装饰。光纤于上世纪五十年代被成功开发,目前已广泛应用于电力传输、通信、成像和传感等领域。


    具体来说,光纤具有优良的介电属性和广泛的适用性因而可以在其他传感技术可能失效的环境中使用,例如真空室和海底等极端环境。


    从光纤传感器到压力传感器

    标准光纤是专为电信设备而设计,通常无法用于传感领域。为了使光纤对所需参数足够敏感,人们必须对其进行加工处理,例如对光纤光栅进行刻印或者采用特制的微结构光纤。在高灵敏度压力传感器方面,微结构光纤展现出了良好的应用前景。高灵敏度压力传感器可用于石油勘探等领域,技术人员和工程师可以使用它来检测流体压力。图1展示了文献报道的三种可用作压力传感器的光纤。

    图1.压力传感测量装置中的微结构光纤。

    (a)光子晶体光纤1 (b)带三角形格子孔的微结构光纤2 (c)侧孔光子晶体光纤3

    压力传感器中的微结构光纤通常具有特殊的构造外部,施加的载荷会导致光纤内产生不对称的应力分布,进而使光纤的双折射特性,一种使光束的折射率呈各向异性的材料属性,发生改变,于是便可以通过测量双折射特性的变化来实现传感检测。
    位于巴西的坎皮纳斯大学(Uni c a mp)的研究人员Jonas Osório表示,“光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点,并能适用于恶劣环境。 同时它们体积小、重量轻,较同类传感器而言有着更加广阔的适用范围。 ”
    然而现有文献资料中报道的光纤,其微观结构都相当复杂,并且需要进行多次拉制,然后由手工完成精密的结构组装。坎皮纳斯大学和空军研究所(IEAv)正在合作开发一种名为“嵌入芯式毛细管光纤”的特殊类型光纤,它可以被用于制造高灵敏度的压力传感器。研发人员需要对这类光纤的制造工艺进行简化,其中包括预成型制备法和直接拉丝法。


    细致分析几何特征
    嵌入芯式毛细管光纤本质上是一根二氧化硅毛细管,管壁内区域(即纤芯)掺杂有锗(图2显示了光纤的结构和横截面图)。与图1 中典型的压力传感器的微结构光纤相比,嵌入芯式光纤的结构要简单得多。

    图2.(a)嵌入芯式毛细管光纤的概念图,它显示了嵌有纤芯的毛细管在静水压力下的横截面(b)嵌入芯式光纤的横截面。

    空军研究所的研究人员 Marcos Franco和ValdirSerrão与坎皮纳斯大学的Jonas Osório和CristianoCordeiro合作,对微结构光纤中由压力引起的双折射现象进行了研究,据此提出了一种新的设计概念,并对其进行了验证。

    他们的目标是设计出能感知静水压力的光纤,静水压力指的是由静止液体产生的压力,例如传感器周围的静水。他们在设计过程中使用毛细管光纤(极细的空心管)替代了包含气孔阵列的实心光纤,以此来产生不对称的应力分布。

    他们的目标是最大限度地增强由压力变化引起的双折射率变化,由此提升光纤的传感能力。他们首先利用解析模型对压力引起的毛细管壁内的位移和机械应力进行了研究(图3)。

    图3.研究受压的无内嵌芯毛细管光纤。在初始的位移曲线研究中,内半径rin=40μm,外半径rout=80μm,内压Pin为1 bar,外压Pout为50 bar。
    解析模型表明,由于毛细管结构本身的特性,外加压力在毛细管内壁上产生了不对称的应力分布。在光弹性效应的作用下,应力会引起材料折射率沿水平和垂直方向发生变化,从而获得所需的双折射特性。


    最大限度地提升对压力变化的敏感性
    借助COMSOL Multiphysics®软件,Franco、 Serrão、Cordeiro和Osório 向数学模型中添加了椭圆纤芯,也就是石英毛细管壁中掺杂了锗的区域。通过运行仿真,他们获得了模式双折射的变化方式,以及外加压力和毛细管壁内纤芯的位置之间的关系(图4)。模式双折射描述了可以穿过纤芯的光学模式的双折射效应。

    图4.模式双折射的变化与毛细管壁内纤芯的位置之间的函数关系。当纤芯非常接近光纤的内半径(顶1部中间图时), 由压力变化引起的双折射变化最大。


    仿真模型可以计算基本模态在不同压力条件下的有效折射率。当入射的电磁波沿纤芯传播时,便会出现这种模式。研究表明,若想最大限度地提升双折射现象对压力的敏感性,即增强传感器的灵敏度,必须使纤芯完全嵌入毛细管结构,并且靠近内壁。他们分析了不同几何结构中应力分布的变化,最终得出结论,光纤管壁越薄,纤芯位置越接近毛细管的内半径,由压力引起的双折射率的变化就会越大。


    全新的微结构光纤传感器
    在完成了有关双折射对压力的依赖性的研究后Franco、 S errão、Cordeiro和O sório提出了一种可以简化微结构光纤制造工艺的新方法。经过验证的新型压力传感器设计可以正常工作。他们将概念设计的灵敏度与现有的复杂光纤结构进行了比较确认新的设计方案可以产生相近的效果但是能够减少复杂的组装工作。嵌入芯光纤为高灵敏度光纤压力传感器提供了一个全新的发展方向,相信在不远的将来,石油勘探者可以更加方便地对采集的石油进行实时评估。

    展开全文
  • COMSOL仿真资源

    2019-02-16 19:34:55
    COMSOL仿真光纤模型。同意直接点击计算得到仿真结果。
  • comsol经典教程

    2013-11-20 14:25:28
    很好的介绍了comsol的使用方法,并且介绍了comsol光纤中的应用。
  • comsol小公式

    2018-12-17 11:17:56
    关于光子晶体光纤的公式,comsol常用的材料折射率,方便使用。
  • comsol案例pcf

    2018-05-18 23:57:25
    comsolpcf光子晶体光纤模拟,空心光子晶体光纤,有效折射率
  • comsol光电专题

    2021-03-22 09:30:34
    本周六开课。报名名额即将截止 ...2,光子晶体光纤的模态计算,表面等离激元光栅,超材料和超表面设计, 3,光力、光扭矩、光镊力势场的计算,天线模型,基于微纳结构的电场增强生物探测, 4,光-热

    本周六开课。报名名额即将截止
    comsol光电专题培训班
    一. COMSOL软件入门 仿真框架建立及软件基本操作
    1,前处理和后处理的技巧讲解
    2,COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础
    3,RF、波动光学模块内置方程解析推导
    二. 案列教学模型范畴
    从零基础到模型详细操作,二十余个案例模型讲解,
    1,二维材料,石墨烯、MoS2,光子晶体能带分析,
    2,光子晶体光纤的模态计算,表面等离激元光栅,超材料和超表面设计,
    3,光力、光扭矩、光镊力势场的计算,天线模型,基于微纳结构的电场增强生物探测,
    4,光-热耦合案例,周期性超表面透射反射分析.波导模型:
    5,表面等离激元波导、石墨烯波导、非厄米系统PT对称的波导模型.散射体的散射,
    6,吸收和消光截面的计算,硫化钼的拉曼散射; 拓扑边缘态应用仿真;
    7,腔膜的求解,磁化的等离子体、各向异性的液晶、手性介质的仿真,拓扑光子学和非厄米光子学
    8,COMSOL WITH MATLAB,此次培训皆为论文案例和自建模型,培训中都会提供给学员
    https://docs.qq.com/doc/DSXJxSGxURHRzZUtw
    联系方式:18310775519(同步微信、qq)
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  • 此模型的第一部分计算由硅玻璃制成的阶跃折射率光纤的模式。 第二部分则分析了一个弯曲到 3 毫米半径的阶跃折射率光纤,研究其传播模式和辐射损耗。模型显示如何找到功率平均模式半径,以及如何用来计算有效模式折射...
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    2018-10-25 20:21:10
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  • 利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对三根平行微纳光纤进行了详细的数值模拟研究。计算结果表明,纤芯间距改变时,三根平行微纳光纤随传输距离变化的功率耦合分布的规律是相似的,都呈周期性分布。纤芯间距...
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  • 1、光子晶体能带分析,光子晶体能谱计算,光子晶体光纤的模态计算; 2、传播表面等离激元和表面等离激元光栅等; 3、超材料和超表面设计; 4、光力、光扭矩、光镊力势场的计算; 5、天线模型; 6、二维材料如石墨烯...
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空空如也

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