Simulazione di dispositivi ottici
Simulazione di circuiti fotonici, grafene, metamateriali e cristalli fotonici
Modellazione plasmonica e nanofotonica con il software Optical
I dispositivi fotonici e plasmatici aprono nuove possibilità in molti settori tecnologici, come le comunicazioni ad alta velocità o i sensori medici. I circuiti fotonici integrati (PIC; Photonic Integrated Circuits) consentono la trasmissione e l'elaborazione dei segnali a velocità di trasferimento dati incredibili in dispositivi su nanoscala. I nuovi materiali, come grafene e metamateriali, svelano nuove possibilità per problemi precedentemente irrisolti.
La simulazione accelera il processo di progettazione ottica, riduce i rischi e libera tutto il potenziale di questa tecnologia. Gli utenti possono visualizzare il comportamento dei componenti e ottimizzarne le prestazioni senza dover sostenere i costi dell'esperimento con prototipi.
Software di simulazione ottica 3D
Simulia CST Studio Suite è uno strumento di simulazione elettromagnetica ad alta frequenza leader del settore che consente di modellare in modo accurato ed efficiente il comportamento delle onde a frequenze ottiche. Importa i collegamenti agli strumenti di layout dei dispositivi fotonici per creare automaticamente modelli di simulazione 3D, mentre la libreria dei materiali include modelli di materiali a frequenza ottica. I modelli di post elaborazione possono calcolare le misure standard del settore. Le opzioni di High Performance Computing consentono la simulazione rapida di progetti ottici complessi in diverse centinaia di lunghezze d'onda.
La simulazione multifisica, che collega la simulazione fotonica a solutori termici, di diffusione della deriva, strutturali e di fluidi, può calcolare il modo in cui i dispositivi si riscaldano durante l'uso e determinare il rischio di desintonizzazione dovuto all'espansione termica.
Applicazioni di esempio della progettazione ottica
La tecnologia di simulazione CST Studio Suite consente agli ingegneri di progettare componenti fotonici e sistemi ottici come:
- Dispositivi per i cosiddetti circuiti fotonici integrati (PIC)
- Guide d'onda
- Accoppiatori a reticolo
- Risonatori ad anello
- Frazionatori
- Coni Morse
- Modulatori
- Metamateriali, filtri e reticoli
- Dispositivi grafici
- Cristalli fotonici
- Antenne nanometriche
- Celle solari
- Lenti
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Domande frequenti sul software di simulazione ottica
Nei materiali birifrangenti, la velocità di fase di una luce si modifica a seconda della polarizzazione e della direzione di propagazione. Matematicamente questo significa che la permeabilità elettromagnetica di tali materiali è un tensore. I materiali per i quali due dei componenti sono identici sono definiti monoassiali. Se tutti e tre i componenti sono diversi l'uno dall'altro, il materiale è denominato biassiale.
Esempi di materiali birifrangenti presenti in natura sono i cristalli con strutture cristalline asimmetriche, come il quarzo. I materiali iperbolici sono un caso speciale in cui uno dei componenti del tensore presenta un segno negativo. Il materiale, quindi, dimostra proprietà dielettriche per una polarizzazione e metalliche per l'altra polarizzazione. Un altro modo per creare la birifrangenza consiste nel sottoporre a sollecitazione i materiali isotropi in modo che siano deformati e che la loro isotropia venga persa.
Una forma speciale di anisotropia ottica è l'effetto magneto-ottico. Se un materiale magneto-otticamente attivo è magnetizzato, l'indice di rifrazione della luce polarizzata a sinistra e a destra sarà diverso in senso ortogonale rispetto all'asse magnetizzato. Gli effetti magneto-ottici sono ampiamente utilizzati per l'isolamento ottico poiché il campo magnetico di polarizzazione interrompe la simmetria d'inversione temporale e rende l'effetto non reciproco. Supponiamo di lanciare la luce con un angolo di polarizzazione di 45° in una guida d'onda. Questa luce lascia la nostra guida d'onda di esempio polarizzata a 90°. Se questa luce viene riflessa nuovamente nella guida d'onda, non ritorna allo stato originale di 45°, ma viene ulteriormente ruotata a 135°.
Una relazione non lineare tra il campo di spostamento e il campo elettrico significa che l'indice di rifrazione dipende dal campo elettrico. La dipendenza dell'indice di rifrazione sull'intensità ottica può essere utilizzata per creare, ad esempio, un elemento bistabile.
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