COMSOL光纖模擬的案例
基于comsol漸變光纖的模擬
今天我給大家介紹一種利用comsol進行可編輯優化設置的漸變光纖模擬。具體如下：
首先，構建出四層芯包結構，為溝道形漸變光纖，其中最中間的纖芯為漸變芯。第二圈為溝道包層。依此類推對每個光纖區域的材料參數進行配置。如下：
其次，我們需要考慮插入漸變函數，因此需要再定義中引入參變量：
需要注意的是，該函數為關于半徑r的極坐標形式，而我們在構建函數時需要將其轉換為直角坐標系，因此r要寫成直角坐標方程如上所示。特別說明的是，該函數的上限為1.461，漸變下限為1.45.讀者可根據自己實際需求來調整。接下來我們就是需要進行網格劃分以及配置電磁波頻域研究來進行模式分析，如下所示：
結果分析及討論說明：
首先可以看一下折射率沿著光纖x軸的分布，滿足漸變溝道形。模式分析結果如下：
以基模以及11模式為例，不同于階躍形光纖，其模式光場對應的電場幅值存在明顯的差異。希望為做漸變形光纖模擬的朋友們起到一些小小輔助。
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展開 基于comsol軟件的三維單模光纖模擬
首先先建立三維光纖結構模型：如下所示，現在xy工作平面制作三個同心圓心，然后再Z平面通過延展拉伸的方式并在最后構建成聯合體構建而成。
隨后配置各個區域的材料參數及特性，在這里就不詳細論述了，可從材料庫中自動鏈接，值得一提的是要在空氣層外部設置一層PML(完美匹配層)隨后在研究領域中選擇電磁波頻域，在這里我們定義如下：（理想電導體、初始條件、以及在入射和出射分別設置兩個端口作為光源入射端和出射端，并且設置好相應的邊界和光源入射條件），進一步地進行網格化分。效果如下所示（分別用用戶自定義大小網格和四面體自由網格組成）
在研究部分中配置如下（兩個端口則需要配置兩個邊界模式分析條件，并根據入射光纖有效模式折射率轉換為相應所需要檢測的頻率用以模擬監測）：
結果后處理：
在結果分析中，我們設定好三維截圖面（本例中選擇XZ面）進行多切割視角（本例切割為3）隨后選擇表面并錄入電磁場電場模的表達式以構建圖，如需進行立體呈現的話，則在多切割表面菜單下勾選變形即可實現立體的呈現視覺效果。
另外地如果我們對光纖的橫截面中用以為三維截線繪制，并且在結果部分中選擇一維繪圖組，即可得到橫截面處光纖模式光場的電場幅度值。如下圖所示（在本案例中選擇的是計算出來的光纖基模，因此其關于徑向呈高斯函數分布）
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展開 基于comsol軟件彎曲單模光纖模擬仿真
在本節中，主要基于實驗室實際光纖單模圓柱光纖進行模擬，與comsol案例庫文件在分析過程和建模有些差異：
模擬主要通過以下三個步驟進行：模型的幾何構建、物理場的添加研究、結構處理分析來進行。
下面是第一步驟：幾何模型的構建
首先建立相應的參數設置：
圖1 結構配置及參量設置
圖2 圓柱形單模光纖橫截面圖及幾何配置
按照上述要求配置好幾何結構后，對每個區域的幾何賦予相應的材料屬性。并在最后購置好聯合體。
隨后在去定義光纖的類型為彎曲光纖。
圖3 彎曲光纖模型設置及坐標建立
第二部分：物理場及研究的添加：
由于單模光纖在進行宏彎后，纖芯中的光纖能量大部分以泄漏模的方式擴散到光纖包層區域中，但當到達光纖包層壁時會產生振蕩，即回音壁模式。下面我們著重分析一下這些回音壁模式。因此在物理場的選擇上選用電磁波頻域進行分析。
具體如圖所示，光纖結構呈軸對稱分布，我們忽略外環境的影響因此將外層設置成為完美磁導體（吸收所有電磁波）其余按照電磁波頻域的初始設定即可。網格剖分
圖4 端面網格化分
在光纖端面處采用自由三角形網格進行劃分，在PML層共分解成為四塊設置成為映射網格（可參考映射網格的劃分方法）
圖5 模式分析
在研究部分中分成兩步驟進行分析 分別是模式分析以及確定好相應的頻率數值。
第三部分：后處理結果分析
圖6。泄漏模式分析
在后處理結果中（電磁波模型）選擇電場并選擇表面。油煎以等值線形式表示，得到回音壁各個電磁模式的能量值分布。如果對端面進行一維截線處理則可以得到相應的數值電場幅度數值。
圖7 結果后處理
展開 使用 COMSOL Multiphysics 模擬高靈敏度光纖壓力傳感器
最大限度地提升對壓力變化的敏感性
借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 向數學模型中添加了橢圓纖芯，也就是石英毛細管壁中摻雜了鍺的區域。通過運行仿真，他們獲得了模式雙折射的變化方式，以及外加壓力和毛細管壁內纖芯的位置之間的關系（圖 4）。模式雙折射描述了可以穿過纖芯的光學模式的雙折射效應。
圖 4. 模式雙折射的變化與毛細管壁內纖芯的位置之間的函數關系。當纖芯非常接近光纖的內半徑（頂部中間圖）時，由壓力變化引起的雙折射變化最大。
仿真模型可以計算基本模態在不同壓力條件下的有效折射率。當入射的電磁波沿纖芯傳播時，便會出現這種模式。研究表明，若想最大限度地提升雙折射現象對壓力的敏感性，即增強傳感器的靈敏度，必須使纖芯完全嵌入毛細管結構，并且靠近內壁。他們分析了不同幾何結構中應力分布的變化，最終得出結論：光纖管壁越薄，纖芯位置越接近毛細管的內半徑，由壓力引起的雙折射率的變化就會越大。
全新的微結構光纖傳感器
在完成了有關雙折射對壓力的依賴性的研究后，Franco、Serr?o、Cordeiro 和 Osório 提出了一種可以簡化微結構光纖制造工藝的新方法。經過驗證的新型壓力傳感器設計可以正常工作。他們將概念設計的靈敏度與現有的復雜光纖結構進行了比較，確認新的設計方案可以產生相近的效果，但是能夠減少復雜的組裝工作。嵌入芯光纖為高靈敏度光纖壓力傳感器提供了一個全新的發展方向，相信在不遠的將來，石油勘探者可以更加方便地對采集的石油進行實時評估。
本文內容來自多物理場仿真:《IEEE Spectrum》特刊 2017
展開 
基于comsol七芯光纖超模模擬分析
本期教程主要向大家介紹一期采用comsol有限元分析軟件進行七芯光纖模擬分析的模擬教程。首先介紹一下基本知識點
七芯光纖超模理論（Supermode Theory for Seven-Core Fibers）涉及一種特殊類型的多芯光纖（MCF）技術。在這里，"超模"（supermodes）指的是多芯光纖中各個單獨芯之間耦合形成的復合模式。以下是七芯光纖超模理論的一些關鍵點：
多芯耦合：在七芯光纖中，七個獨立的光纖芯被布置在一個結構中。這些芯之間的相互耦合導致光能在它們之間傳播，形成所謂的"超模"。
超模的形成：當光通過多芯光纖時，由于芯之間的相互作用和耦合，會形成超模。這些超模是單個芯模式的線性組合，它們在整個光纖結構中共同傳播。
模式分布和耦合系數：超模的具體特性，如模式分布和耦合系數，取決于芯之間的距離、折射率差異以及光纖的幾何結構。在七芯光纖中，這些參數需要精細調整以優化模式耦合和傳輸效率。
其次進行模擬分析的展示:
首先是背景界面的設定：物理場選用波動光學，研究依次添加頻域和模式分析。
圖1 全局變量配置
第二步：進行平面幾何的構建以及配材料折射率。具體如下所示：
圖2 幾何及材料配置界面
圖3 仿真參數定義
提示：建模完畢后，進行網格劃分盡可能按照物理場區劃分，設置網格最小尺寸為波長的三分之一合適。亦或是按照研究系統自動默認劃分網格。
圖4 網格劃分
幾何模型最外側建議添加完美匹配曾或是散射邊界條件予以限制條件。在模式分析步驟，按照有效折射率靠近纖芯值去計算。頻率c=3e8/λ去計算。
展開 Comsol空芯反諧振光纖仿真
空芯反諧振光纖采用反諧振式反射波導的導光機理，利用玻璃壁在包層構成類似法布里-珀羅諧振 腔的結構，通過控制入射波長和玻璃壁厚度控制諧振條件和反諧振條件。當滿足諧振條件時，玻璃壁形成的諧振腔透射最大而反射最小，纖芯內的光大量地通過透射泄漏至包層；而當滿足反諧振條件時，該諧振腔透射最小而反射最大，光通過反射被限制在纖芯，從而形成光波導。
首在物理場中選擇波動光學，添加頻域并選擇模式分析
其次，在全局定義中對反諧振光纖進行參數定義，具體參數如下：
按照上述參數對空芯光纖進行幾何建模后，對相應區域賦予相應的材料屬性。幾何模型最外側添加完美匹配層和散射邊界條件加以限制，并選用自由三角形網格進行劃分，網格劃分小于波長的四分之一；
在模式分析計算中有效折射率按靠近纖芯值去計算，通過對包層管壁厚度進行掃面可以得到產生反諧振時包層厚度：
以下為直光纖中基模和最小高階模電場分布：
將光纖類型定義成彎曲光纖，可觀察到彎曲光纖中基模和最小高階模電場分布：
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展開 016 - COMSOL光纖-銀納米線波導之間高效耦合（僅包含模型文件） ￥26
016 - COMSOL光纖-銀納米線波導之間高效耦合（僅包含模型文件，26元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Nano Letters上的論文《Highly Efficient Interfacing of Guided Plasmons and Photons in Nanowires 作者：Xuewen Chen等》，重復了圖1；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
計算所需的內存：8 GB；
涉及的內容：全局參數、端口、完美匹配層、自定義網格、邊界模式分析、對數據集操作-旋轉、派生值-積分 等；
繪制了：軸向剖面上的瞬時磁場分布、橫截面上的磁場模式分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，將銀納米線（MW）和光纖（DF）端對端接觸在一起，模擬兩種情況下的耦合效率：（1）銀納米線上的表面等離激元波導耦合到光纖中；（2）光纖中的波導耦合到銀納米線上的等離激元
銀納米線和硅介質波導的半徑分別為164nm和342nm。波長為633nm。
在軟件中采用二維軸對稱進行模擬。
計算的內容和結果：
1、銀納米線→光纖的耦合。上圖：文獻中的結果；下圖：本案例的結果 ??
2、光纖→銀納米線的耦合。上圖：文獻中的結果；下圖：本案例的結果 ??
3、光纖中的模式(k)和銀納米線波導的模式(l)。左圖：文獻中的結果；右圖：本案例的結果 ??
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多模光纖內光束的特性(模式分布的模擬)
該程序模擬了幾種導波模式下光纖內光束的傳輸特性。采用高斯光束入射，可與纖芯偏移，也可相對光纖軸向傾斜入射。此程序計算了所有模式的振幅分布，也可有效計算光纖輸出端的強度分布。除各輸出模式功率的計算之外，也可獲得以下圖形：
圖1為各導波模式的功率與入射光束位置的關系。
圖2為個導波模式的功率與光束斜入射角的關系。
圖3為給定光束偏移量下輸出光束的強度分布。
圖4為給定光束斜入射角下輸出光束的強度分布。
用COMSOL仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應問題
用COMSOL仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應問題
我想仿真激光在光纖中傳輸的光熱效應，即激光在光纖中損耗轉化為熱量的現象。
我選用COMSOL 波動光學模塊和固體傳熱模塊，添加多物理場耦合，study設置為頻域-瞬態。
具體模型如下圖所示，光纖材料為silica，外層為air，上下端口設置為數值端口。
但是計算總是顯示不收斂，初步懷疑是邊界條件的問題，請問這種結構該如何設置熱場的邊界條件？
謝謝！
基于mode模塊的光纖彎曲損耗模擬
大家好，今天我所分享的案例是基于Lumercical軟件的光纖彎曲損耗模擬分析的介紹。文中主要介紹的是光纖波導在彎曲過程中能量損失的情況。基于Lumercial mode模塊展開細致化研究分析模擬。
所選用的計算是基于FDE算法而展開的。
首先建立光纖幾何波導，以及配置好彎曲的結構模型：
圖1 彎曲光纖波導三視圖
如圖1所示為彎曲光纖波導的三視圖，細節光纖纖芯及包層配置如下圖2所示：
圖2 纖芯配置
圖3 包層配置
圖4 模擬區域設置
在完成基本光纖波導幾何配置后，設定模擬區域參數設置如上所示，模擬在300k環境介質為空氣環境下進行。邊界條件為金屬邊界條件。在進程check材料檢驗后，選擇運行按鈕進行運算。
如下圖5所示，為彎曲波導模式計算細節處理：
模擬的中心波長為1.55微米
計算的為前15個偏振模式
勾選上彎曲波導計算，設定彎曲波導的曲率半徑為9.1e6微米
隨后進行運算。
圖5 彎曲波導模式計算參數配置
圖6 彎曲波導模式計算結果
如圖6所示為光纖波導在彎曲后計算的模式部分結果，可以計算得到1.55微米中心波長下對應各階光纖模式的有效折射率數值。以及偏振分配比例（TE/TM），如下圖7所示為光纖模式彎曲后的模場分布圖（部分數值結果），可以發現傳輸光線模式由于彎曲導致部分模式場的分布發生畸變。
圖7 彎曲波導模式電場分布圖
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展開 ZEMAX | 如何模擬斜切光纖
今天的主題是：
如何模擬斜切光纖
正文
在利用軟件計算光纖耦合效率時，我們事實上無法準確模擬光在單模光纖內的傳播，只能計算激光經過系統后，有多少能量可以順利進入到單模光纖并在內部穩定前進而 (理想上) 不耗損能量。
無法計算光在單模光纖內部行為的原因是單模光纖的尺度接近耦合光的波長，屬于波導而不是單純的光導管，此時光線或自由空間的標量傳播 (POP) 計算都不正確。也因此在計算耦合效率時，我們需要事先明確：符合什么條件的光才能順利進入波導傳播。
對于口徑較大的多模光纖來說，這個條件是每一條光線的入射角度必須在指定NA之內。但對于單模光纖，這個條件則是整個光束 (beam) 在單模光纖端口的復振幅分布，也就是模態，必須符合一定分布。當入射光到達此光纖入口切平面時，復振幅分布中不符合該模態的部分會在光纖中傳播時消逝，而無法到達另一端。以未斜切的單模光纖來說，這個可傳播模態即是高斯分布。
但在實際應用中，我們常常會考慮讓光纖端面斜切，這有許多好處，例如防止反射光回到系統中造成影響。當光纖斜切的時候，可接受的入射模態就會改變。嚴格意義上來說，必須使用專門的軟件求解，例如OptiWave。當這類軟件計算出一個特定復振幅分布后，即可以輸入OpticStudio模擬并優化耦合透鏡。
而當我們沒有任何方式可以得到斜切光纖的模態時，則需要一些近似計算。光纖端面有斜切時，對入射的光線來說會有棱鏡的效果，不再是正向進入光纖，也就是光束進入光纖時會被折射，造成耦合效率下降。理論上，只要我們能調整整個光纖的角度，讓光束折射后，正好是正向進入光纖，就可以重新提高耦合效率。
展開 
基于Rsoft軟件進行長周期光纖光柵模擬
圖2 仿真模型設置參數
圖3 模擬光譜圖及模式階次
經之前講述的掃描過程仿真出來的是透射譜曲線，如圖3所示，其中縱坐標表示損耗功率（使用Rsoft將各光纖光柵周期仿出來的透射譜數據在數據處理軟件上處理后，可以得到各周期透射譜曲線圖，不同諧振波長所對應的模式也已標注上）如果要觀察到某一位置處的光場分布如圖4所示，具體要將最后的展示output設置為XY視角,同時在field output format和far field output設置為Amp、Phase 和 intensivity。
圖4 模式光場分布圖
在光纖光柵中，纖芯中的光傳播時，能量會向包層發生泄露，如圖5所示。這是通過simulation（紅綠燈），配置光源后運行得到的。詳細步驟在之前的教程中有所談及。
圖.5 單波長下結構能量分布圖
由上圖可知在LPFG傳輸過程中，如果觀測到波長滿足相位匹配條件時候足夠大時，不同包層模式能量與纖芯模式能量發生耦合作用。由于不同位置處能量的逐漸衰減擴散，導致更多的高階模式能量被激發，并彼此發生耦合（次要）與纖芯模能量發生耦合（主要）作用，進而使得光的能量大幅的衰減。
最后,有相關需求歡迎聯系我們.
展開 Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。（聯系我們獲取文章附件）
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出:
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
運行和結果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率neff
我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區域和低折射率區域的 neff，并將其的平均值作為設計的起點。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
展開 基于optigrating光纖光柵光譜的模擬分析簡明教程
入門五：模擬數據的導出
選中tools-view data即可輕松導出數據到excel表格。
Summary小結：本推文結合一個經典小案例主要向大家介紹了optigrating軟件繪制光柵及分析的過程，同樣地道理我們也可以選擇copuling進行兩根光纖之間模式耦合的分析，并且以此為基礎對光柵偏振模式之間的耦合進行分析研究，相關實際案例請等待下期學習推文哦，歡迎各位萌新們一起動手研究學習！在科研的道路上越戰越勇。
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Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
步驟2:EME-計算光柵的溫度相關透射/反射響應
我們分析了光柵在多個周期內的透射/反射值，模擬區域中只包括光柵的單個周期，但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應。然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
根據上一步計算的周期將自動用于“模型”參數。使用腳本運行EME求解器并計算布拉格光柵的S參數。我們在模擬區域中有兩個單元格，每個單元格代表高折射率區域和低折射率區域。腳本計算給定溫度范圍內的所有S參數。但在這里，我們將主要關注光柵的反射，如下所示。觀察到峰值反射（對應于布拉格波長）約為90%，并且隨著溫度從25℃升高到1.000℃，呈現紅移。
布拉格波長與溫度的關系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。
展開 