Simulation von optischen und photonischen Systemen

Wellenleiter- und Dünnschichtsimulation

Numerische Methoden und Simulationstechniken spielen auch im Bereich der Optik eine zunehmend wichtigere Rolle. Im Bereich Photonics interressiert uns besonders die Simulation von Komponenten im Bereich der Faser- und integrierten Optik sowie in der optischen Dünnschichttechnik. Für unsere Simulationsaufgaben verwenden wir unterschiedlichste Softwarpakete: von der Ray-Tracing Software ZEMAX über die wellenoptische Photonics Component Design Suite von Synopsys bis hin zu den Dünnschichtsimulationsprogrammen FilmStar.

Ray Tracing (Zemax)

Wenn Optikdesigner von Ray-Tracing Simulationen sprechen, dann meinen Sie zumeist das sequenzielle Ray-Tracing bei dem (wenige) Strahlen durch unterschiedliche Grenzflächen hindurch ''verfolgt'' werden. Zur strahlenoptische Simulation von Wellenleitergeometrien hingegen nutzen wir vornehmlich den ''non sequential mode' von Zemax, der es gestattet, Strahlen durch beliebige Freiformgeometrien zu propagieren und an frei definierbaren Stellen zu detektieren. Um strahlenoptisch brauchbare Aussagen bekommen zu können müssen die verwendeten Strukturen mindestens 10x so gross sein wie die eingesetzte Wellenlänge. Ray Tracing eignet sich daher nur für Multimodesysteme mit Durchmessern von grösser 50µm.

Wellenoptische Simulationen (Synopsys - RSoft Photonic Design Software)

Die Firma Synopsys ist ein weltweit führendes Unternehmen für Simulationstools im Bereich Photonic Design. Im Zuge eines KTI-Projektes wurden folgende Software Module beschafft:

  • BeamPROP
  • FullWAVE
  • DiffractMOD
  • Grating MOD
  • FemSIM

BeamPROP wird für das Design und die Simulation von Singlemode Wellenleitern oder Fasern eingesetzt. Mittels Mode-Solver kann die Energieverteilung im Wellenleiterquerschnitt berechnet werden. Mit der Beam Propagation Methode kann diese Feldverteilung dann über das gewünschte Bauteil hinweg propagiert werden. Dabei können sowohl 2D wie auch rechenintensive echte 3D Probleme gelöst werden.

FullWAVE basiert auf der „Finite-Difference Time-Domain“ Methode (FDTD) und hat ein breites Anwendungsgebiet. Durch das Lösen der Maxwell-Gleichungen kann die FDTD auch die Rückkopplungen von elektromagnetischen Wellen simulieren. Dies ist besonders im Bereich Oberflächenplasmonen und Biophotonics sehr interessant.

DiffractMOD nützt die „Rigorous Coupled Wave Analysis“ Methode (RCWA) und ist besonders für diffraktive Strukturen wie Diffraktive Optische Elemente (DOE's) und Wellenleiterresonatoren interessant.

GratingMOD setzt auf die „Coupled Mode Theory“ (CMT). Dieses Tool wird vor allem für das Berechnen und Analysieren von Bragg Gittern eingesetzt. Es eignet sich zudem für „long-period“ Gitter und für die Auslegung optischer Verstärker.

FemSIM wird zur Berechnung von Wellenleiter - und Resonatormoden von beliebigen Strukturen eingesetzt. Dieses Softwaremodul basiert auf der Finite Element Methode (FEM).

Integriert optisches Mach-Zehnder Interferometer
Integriert optischer Wellenleiterkoppler

Dünnschichtsimulation (FilmStar)

Die Berechnung und Simulation von Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Substraten und Dünnschichtsystemen basieren auf den Fresnel Gleichungen. Mit Matrixalgorithen kann das spektrale Verhalten für verschiedene Wellenlängen und Einfallswinkel berechnet werden. Auch die zum Spektrum gehörende Farbe im CIE Farbraumdiagramm kann bestimmt werden. Für einfache Simulationen von Antireflex-, Spiegel- oder Filterbeschichtungen eignet sich das frei verfügbare Softwarepaket OpenFilters. Für komplexere Aufgabenstellungen, Optimierungsaufgaben oder die Analyse bestehender Spektralkurven haben wir die FilmStar Dünnschichtsoftware der Firma FTG im Einsatz.