Lehrstuhl für Integrierte Systeme und Photonik

Modellierung

Modellierung ist ein wichtiges Hilfsmittel für Entwurf und Optimierung. An erster Stelle bei der Modellierung steht das Erkennen der dominierenden physikalischen Effekte in dem zu untersuchenden System. Danach werden analytische oder numerische Methoden eingesetzt um das Verhalten des Systems zu berechnen. Dabei wird der Einfluss von Designparametern auf die Funktion des Systems untersucht.

Zur numerischen Berechnung setzen wir insbesondere die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (finite-difference time-domain, FDTD) ein. FEM ist dabei insbesondere geeignet für die Multiphysik-Modellierung. So lösen wir mit dieser Methode z. B. gekoppelte Differentialgleichungssysteme mit mechanischen, piezoelektrischen und magnetostriktiven Eigenschaften im Bereich der Magnetfeldsensorik. Die FDTD-Methode kommt insbesondere bei Fragestellungen nanostrukturierter optischer Bauelemente zum Einsatz. Weiterhin entwickeln wir eigene Programme für spezielle Fragestellungen.

Die Abbildungen zeigen als Beispiel Ergebnisse für das Transmissionsspektrum eines nanostrukturierten Wellenleiters mit zwei überlagerten Perioden. Alle drei numerischen Methoden liefern dasselbe Ergebnis und eine prinzipielle Übereinstimmung mit dem Experiment ist sichtbar.

Abbildung 1:
Abbildung 1:Wellenleiterstruktur mit zwei überlagerten Perioden mit überlagertem Netz für die Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM).
Abbildung 2:
Abbildung 2: Vergleich der Ergebnisse verschiedener Simulationsmethoden sowie mit dem Experiment für einen nanostrukturierten Wellenleiter mit zwei überlagerten Perioden (RCWA: rigorous coupled-wave analysis; FDTD: finite-difference time-domain method).

Ausgewählte Publikationen

M. Paulsen, L. Neustock, S. Jahns, J. Adam, M. Gerken, "Simulation methods for multiperiodic and aperiodic nanostructured dielectric waveguides", Optical and Quantum Electronics, vol: 49:107 (2017).
Link: »https://doi.org/10.1007/s11082-017-0918-6

L. T. Neustock, S. Jahns, J. Adam & M. Gerken. "Optical waveguides with compound multiperiodic grating nanostructures for refractive index sensing", Journal of Sensors, 501, 6174527 (2016).
Link: »https://dx.doi.org/10.1155/2016/6174527

J. L. Gugat, M. Krantz, M. Gerken, "Two-Dimensional Versus Three-Dimensional Finite Element Method Simulations of Cantilever Magnetoelectric Sensors", Magnetics, IEEE Transactions on , vol. 49, iss 10, pp. 5287-5283 doi: 10.1109/TMAG.2013.2260346 (2013)
Link: »https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2260346