金屬光子晶體與金屬表面等離激元波導(dǎo)的數(shù)值研究.pdf

1、隨著納米科技的發(fā)展，現(xiàn)代光子學(xué)正以前所未有的速度發(fā)展，一些新的研究方向成為現(xiàn)在的研究熱點。如納米光子學(xué)、集成光電子學(xué)、光子晶體，Meta-materials、負(fù)折射、金屬表面等離激元等。 對于出現(xiàn)的一些新器件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析是非常重要的，有助于我們更好地分析和設(shè)計這些器件。由于器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用解析方法分析，數(shù)值方法成為一個重要手段。本文以數(shù)值計算為研究方向，做了以下幾點創(chuàng)新。 1.采用Drude模型，推導(dǎo)出用時域

2、有限差分法處理金屬介質(zhì)的幾種方法的差分格式。如ADE，PLRC等方法。原始文獻(xiàn)中給出了處理Lorentz類型色散介質(zhì)的差分格式。論文中推廣到了Drude類型色散介質(zhì)：金屬。這些差分格式有普適性，是用FDTD法分析金屬介質(zhì)的基礎(chǔ)，可以分析當(dāng)前出現(xiàn)的各類基于金屬的結(jié)構(gòu)或器件。如Metamaterials，金屬光子晶體，表面等離激元器件等。 2.用FDTD法計算了銅、銀、金、鋁四種金屬光子晶體的禁帶，比較了不同金屬光子晶體禁帶的差異，

3、給出了禁帶與晶格常數(shù)(a)、填充率(f)之間的關(guān)系。計算針對二維金屬光子晶體，正方形晶格結(jié)構(gòu)，TM模式。計算發(fā)現(xiàn)，對于TM模式，金屬光子晶體存在一個截止頻率(ωc)，低于這個頻率的光不能傳播。當(dāng)晶格常數(shù)a<20＃m時，ωc與金屬類型、晶格常數(shù)、填充率都有關(guān)系，當(dāng)a>20pro時，ωc僅與晶格常數(shù)、填充率有關(guān)系，與金屬類型無關(guān)。說明隨著波長的增大，金屬可以視為理想導(dǎo)體。文中通過數(shù)據(jù)擬合，給出了在a>20pro情況下ωc與晶格常數(shù)、填充率的

4、關(guān)系。 計算了第二個禁帶與晶格常數(shù)的關(guān)系。計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶格常數(shù)a大于一個臨界值時，會出現(xiàn)第二個禁帶，如果a小于這個臨界值，不會產(chǎn)生第二個禁帶，不管填充率的取值如何。這個臨界值和金屬類型有關(guān)，論文中計算出了不同類型金屬光子晶體的這個臨界值。還計算了第二個禁帶和填充率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)f≈0.6時，禁帶寬度達(dá)到最大。這些結(jié)果為設(shè)計金屬光子晶體提供了依據(jù)。 3.光子晶體可以實現(xiàn)負(fù)折射，但有效折射率可以為負(fù)，也可以為正，用等頻面進(jìn)行

5、分析可以區(qū)分這兩種情況。 文中總結(jié)了用等頻面進(jìn)行分析的幾個要點： ·相速度方向v<,p>與k方向相同，群速度方向v<,g>與坡印廷矢量S方向相同，代表能量傳播方向。判斷負(fù)折射就是看入射光和折射光的v<,g>是否在法線同一側(cè)。而判斷是否為負(fù)折射率就要根據(jù)v<,g>和k的相對角度，在光子晶體內(nèi)，如果v<,g>·k<0，則有效折射率為負(fù)，如果v<,g>k>0，則有效折射率為正。 ·在光子晶體與外界的分界面上，k的切向分

6、量后k//相等。 ·能量傳播方向v<,g>垂直于等頻面，并指向頻率增加的方向。 ·v<,g>指向遠(yuǎn)離波源的方向。 除了上面的內(nèi)容，論文還做了以下幾點工作： 1.介紹了一種新的吸收邊界條件CPML。吸收邊界條件是電磁計算中重要的技術(shù)，它可以截斷仿真區(qū)域，使得仿真在有限區(qū)域進(jìn)行。與早期的吸收邊界條件(如：Mur等)相比，PML的出現(xiàn)使得邊界吸收效果有很大改善。本文介紹了CPML，與UPML相比，它不但能吸收傳

7、輸?shù)碾姶拍Ｊ?，并且對于消逝波或表面等離激元等表面模式也有很好的吸收效果，所以將會在新型器件的分析中得到應(yīng)用。目前尚未見到CPML的中文介紹。 2.介紹了表面等離激元波導(dǎo)及分析方法FDFD。集成電路中各部分之間的數(shù)據(jù)交換制約了其速度的進(jìn)一步提升，而采用光信號傳輸數(shù)據(jù)可以獲得千倍的帶寬，但器件尺寸的不匹配成為主要問題。表面等離激元帶來新的希望，表面等離激元波導(dǎo)可以突破衍射極限，可以在納米尺度上進(jìn)行傳播，所以有希望實現(xiàn)電路與光路的互聯(lián)