高效非线性狭缝波导器件的仿真与设计毕业论文

2020-02-17 22:33:34

摘要

在光学狭缝波导的应用中，从自由空间或某种输入端口向狭缝波导的光耦合效率是重要的研究课题，在非线性光学中，目前已经有的狭缝波导研究大多采用锥形耦合器，邻接自由空间的一端很宽，光通过越来越窄的锥形波导被导入狭缝中。

如果根据物理机制分类，光学非线性效应可以分为载流子色散、载流子吸收、光克尔效应等等许多种，在已知某种材料的二阶非线性极化率的条件下，我们可以用纳米狭缝中稳态光电场的增强倍数来估计非线性效应发生的强度，问题的关键就从非线性效应的强度就转化成了稳态光电场的增强倍数。FDTD Solutions可以直接算出带有非线性材料的结构的稳态解，给出增强倍数。

本文借助FDTD Solutions软件，从波导中模式特性来进一步分析其在消光方面的原理。分析电场分布的特征，增强光场中的电场强度。使用FDTD软件计算狭缝波导中的场增强倍数分布图，分析统计场增强倍数的影响因素，减少其中的干扰项，优化材料和几何结构使消光完全，且波长符合需求。

关键词：自由电子气模型；超材料；MIM；完美吸收

Abstract

In the application of optical slit waveguide, the optical coupling efficiency from free space or some input port to the slit waveguide is an important research topic.In nonlinear optics, tapered couplers are widely used in the study of slit waveguides. One end of the adjacent free space is very wide, and light is directed into the slit through the narrower and narrower tapered waveguides.

According to the mechanism, optical nonlinearity can be classified into carrier dispersion, carrier absorption, optical Kerr effect and so on.When the second-order nonlinear polarizability of a material is known, the intensity of the nonlinear effect can be estimated by the enhancement multiple of the steady-state photoelectric field in a nano-slit.The key to the problem is to transform the intensity of the non-linear effect into the enhancement multiple of the steady-state photoelectric field.FDTD Solutions can directly calculate the steady-state solutions of structures with non-linear materials and give the enhancement multiples.

With the help of FDTD Solutions software, the principle of extinction in waveguide is further analyzed according to the mode characteristics. The characteristics of electric field distribution are analyzed to enhance the electric field intensity in the optical field.FDTD software is used to calculate the distribution of field enhancement multiples in slit waveguides, analyze the influencing factors of statistical field enhancement multiples, reduce the interference items, optimize the material and geometry structure so that the extinction is complete, and the wavelength meets the requirements.

Key words: Free Electron Gas Model; Metamaterials; MIM; Perfect Absorption

第1章绪论 1

1.1 研究背景及目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3主要研究内容 5

第2章主要理论依据 6

2.1 金属的自由电子气模型 6

2.2 MIM波导的发展 8

2.2.1 金属的光学性质 8

2.2.2 MIM波导内的传播模式 9

2.3 LSPR 11

第3章超材料及其研究理论 13

3.1超材料的特性 13

3.2基于超材料吸收器的基本理论 14

3.2.1 等效介质理论 14

3.2.2 阻抗匹配理论 14

3.2.3 等效电路理论 15

第4章完美吸收等离子传感器 16

4.1 FDTD基本运算原理 16

4.2双窄带的完美吸收传感器 17

4.3 完美吸收器的优化 20

第5章吸收器的制备与结构材料 22

5.1制备工艺 22

5.1.1 镀膜 22

5.1.2 刻蚀 22

5.2 结构材料制备及选择 22

第6章总结与讨论 24

参考文献 25

致谢 26

第1章绪论

1.1 研究背景及目的

在目前发展的硅基光子集成研究中，由于纳米加工工艺的复杂性，研究人员们普遍选择用较为简单的几何结构来实现特定光学器件的功能。纳米狭缝由于其简单的几何结构、与CMOS兼容的制作工艺、场增强特性、在超材料领域的潜力等因素，受到广泛研究者的青睐。在超材料领域中，许多种经典的负折射率结构都可以看作被截断的远小于光波长尺寸的短狭缝波导。虽然纳米狭缝的场局域效果非常好，但其模场仍然深入两侧的金属中，导致损耗过高，有效传输距离仅有10微米量级。要在如此短的有效传输距离中实现载流子色散、载流子吸收等光学非线性效应是不现实的，但好在狭缝中导模的传播常数非常大，所以能够在百纳米距离内实现2π的相位变化，进而发展出了许多种基于狭缝波导的、与现今硅基光子集成平台兼容的纳米光路，包括MZ干涉光路、相位调制光路等等。

在狭缝波导的应用中，从自由空间或某种输入端口向狭缝波导的光耦合效率是重要的研究课题，在线性光学中，耦合效率直接决定了输出信号的功率；在非线性光学中，输出电场强度与耦合效率成正比，而电场强度的二次方决定非线性效应的效率。目前已经有的狭缝波导研究大多采用锥形耦合器，邻接自由空间的一端很宽，光通过越来越窄的锥形波导被导入狭缝中。这种耦合器虽然加工方便，效率较高，但由于非最优几何结构、加工误差的影响等因素，耦合效率仍有提高的空间。我们可以用通过FDTD仿真优化耦合器的几何结构，提高效率。根据等效介质理论，电磁超材料可以等效为具有复介电常数和复磁导率的均匀材料。过去的绝大多数工作都专注于它们的实部，以实现负折射率。然而，被忽视的虚部同样十分重要。比如，可以利用它们实现高吸收。通过分别操控介电常数和磁导率，电磁超材料可以实现与自由空间的阻抗匹配，从而达到最小化反射率的目的。用纳米狭缝中稳态光电场的增强倍数来估计非线性效应发生的强度，问题的关键就从非线性效应的强度就转化成了稳态光电场的电场增强倍数。

1.2 国内外研究现状

超材料的发展在许多领域，特别是在电磁学领域，带来了新的思路和方向。本节主要介绍了电磁吸收器的发展历史与未来发展的研究方向^[1]。

2008年，波士顿学院的 Landy 教授首次提出了基于超材料的电磁完美吸收器的概念和实现方法。完美吸收体一般由三层组成：顶层为金属设计单元层，也是整个理想吸收体的核心层和决定层；中间层为介质基底层；底层为全覆铜层。顶层设计使入射到吸收器上的电磁波能量全部进入超材料，底层设计使电磁波的传输为零，使能量被中间介质的基底层消耗，使电磁波的完美吸收可以实现，所以它被称为理想吸收体或接近理想吸收体。后来的发展方向不断延伸，有了不同方向的发展：吸收带宽（单频向多频直至宽频），吸收频率（从微波频段分别向更低频和更高频），极化方向（从和到四个方向极化不敏感最后再到360 度全方向极化不敏感），入射角度（垂直入射到宽角度入射），吸收频率可调（调控方式有电调，磁控，液晶控，相变材料，光控，热控等），前沿方向（如与石墨烯，大数据，人工智能等）。下面将详细介绍基于超材料的电磁吸收器的发展方向。

（1）吸收带宽：

（a）（b）

图1.1 Landy首次提出的吸收器 (a)吸收器的周期单元；(b)吸收率曲线图^[2]

单频：2008年，Landy等人首先提出了一种理想的超材料吸收器，它能在特定频率下吸收近100%的电磁波。吸收器由两个平行的超材料谐振器平面和一个中间介质隔离层组成。如图1.1中所示，在周期单元结构中，底部谐振器为金属矩形条，顶部谐振器为两个吸收率大于96%的开环谐振器。实验结果也证实在 11.5GHz 处有88%的吸收率。

双频：2009年，电子科技大学文岐业研究小组首次报道了一种双波段吸收器的设计和实验测量，如图1.2所示。双波段吸收体由蚀刻在金属基底和金膜上的eSRR谐振器组成，并在中间由聚合物层隔开。eSRR单元结构是由两个对称的单波段谐振器嵌套在一起形成的，可以产生不同的谐振。模拟结果表明，吸收峰有两个，吸收率接近100%。

图片10_副本（a）（b）

图1.2 Shen 双波段吸收器 (a)吸收器示意图；(b)吸收率曲线图^[3]

三频：2011年，Shen等人设计了三波段吸收器。三个相互嵌套的闭合环共振器组成了每个单元结构顶层，如图1.2所示，每个闭环与入射电磁波的电场分量相互作用，三个回路之间存在耦合。模拟和实验结果表明，该体系有三个吸收峰，吸收率分别为99%、93%和95%。吸收器也具有广角入射和极化不敏感的TE和TM极化。

图片2_副本（a）（b）

图1.3 Shen等人设计的吸收器 (a)示意图；(b)吸收谱^[4]

宽频带：2010 年，Ye 等人提出了一种全向极化不敏感的多层太赫兹宽带吸收材料。当层数增加到三层时，可以实现从4.44thz到5.47thz的宽带吸收，并且具有薄而薄的特性，总厚度小于入射波长的1/15。2011年，J.Gran设计了一种三层偏振不敏感太赫兹吸收材料，实现了1.86太赫兹宽带吸收，吸收效率为60%。2012年，Ding等人使用四边形金字塔多层金属介质周期阵列组合20个吸收峰，吸收率大于90%。实验结果表明，在7.8GHz~14.7GHz的频率范围内，垂直入射时的吸收率大于90%。

（2）频段：

图片3_副本（a）（b）（c）

图1.4 Tao等人设计的吸收器 (a)结构图；(b)吸收谱；(c)表面电流密度分布^[5]

太赫兹：Tao等人提出一种双波段太赫兹吸收器，如图1.4所示，金膜基板通过介电层与双频ELC谐振器隔离。双波段ELC谐振器结合两个单独的单波段ELC谐振环，产生双波段吸收。这种结构的优点是两个谐振环可以分别设计和优化，从而在所需的波段获得高吸收。通过在1.4THz和2.9THz条件下的优化，吸收塔的理论吸收率可达到99.99%。

红外波：2010年，Liu等人制作了一种十字结构的红外吸收器，如图1.5所示。顶层周期排列的十字形金属图案和金属基底之间由电介质分离层隔开。通过数值模拟可以得到这种结构的吸收器在波长6um 处实现 97%的吸收率，实验结果同数值模拟结果一致。

图片4_副本图1.5 红外吸收器示意图和吸收率曲线^[6]

可见光：2012 年 Yanxia Cui 等提出一种光波段宽频吸收器，该器件的吸收单元为长条状的方形锯齿结构，如图1.6所示。这种结构可以实现更宽的吸收带宽。然而，刻蚀工艺需要精确控制，制作工艺复杂，在实际应用中很难实现。此外，用这种锯齿形结构制作的吸声体具有电磁波的极化灵敏度，这是无法消除的。

图片5_副本图1.6 锯齿形光波段宽频吸收器示意图与吸收谱^[7]

（3）极化方向：TE 波和 TM 波极化不敏感到全方向的极化不敏感

2009年，Landy等人设计了一种具有三层偏振不敏感单介质层的单频电磁超材料吸收器，如图1.7所示。作为底层，金属交叉结构在1.13thz下的消光效率达到95%。为了消除各向异性，设计了一种中心对称谐振元件，使得入射波的偏振不敏感。

图片6_副本图1.7 极化不敏感吸收器示意图^[8]

（4）新方向：

2013年，Andryieuski等人利用均匀单层石墨烯实现了窄带和宽带在太赫兹波段的动态可调吸收，但吸收体的可调形式仅限于吸收速率的调整。2014年，Yin Zhang等人将双层石墨烯网格与交叉金属亚波长结构相结合，实现了太赫兹波段窄带吸收频率的偏振无关动态可调吸收，但频率相对调节范围小，吸收带宽窄。近年来，国内外基于石墨烯的THZ动态吸收研究的主要方向是在保证吸收率的前提下，扩展带宽，调整吸收频率。

1.3主要研究内容

本次毕业设计的任务是设计超材料完美吸收器，使其实现接近于100％的完美吸收。通过查阅导波光学教材，推导模式色散方程，学会用MATLAB求解该方程，完成英文文献翻译，查阅文献找到常用几种光学非线性材料的非线性极化率的值，学会用FDTD solutions计算带有非线性极化率材料的光电场稳态解，尝试多种材料，不断优化几何结构，在单位面积光功率一定的条件下，使电场增强最大化。