光子器件内周期性结构的多物理场仿真

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随着半导体器件制造工艺的进步,微电子器件不断小型化。对于以电子传输为载体的电子电路来传递数字信息的能力受到巨大的挑战和限制,而以光纤为载体的光子回路可以高速的传递数字信息,但由于尺寸的原因光子器件与微电子器件之间无法很好地进行集成与适配。当光子器件的尺寸缩小到纳米尺度时,电磁波由于受到经典衍射极限的制约,在传输、调控等方面受到限制,微型光子器件在光波波长或小于光波波长的尺寸内很难实现。因此,如果能够实现在小于电磁波波长的尺度范围内对电磁波的调控,以及突破电磁波传输的经典衍射极限,便为实现微型光电子器件集成做出巨大的贡献。在纳米尺寸金属结构与电磁波相互作用的过程中,为了实现对电磁波在纳米尺度下的操控,一种基于表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)或称为表面等离子激元(Surface Plasmons Polaritons,SPPs)发挥了非常重要的作用。SPPs是存在于入射电磁波中的光子与金属表面自由电子在频率相互匹配而产生的集体振荡,即一种表面激发态的倏逝波。倏逝波会在介质层与金属表面之间传播,从而引起电磁波的透射增强(Extraordinary Optical Transmission,EOT)现象。本论文将利用基于交变方向隐式的时域有限差分法(Alternating Direction Implicit Finite-Difference TimeDomain,ADI-FDTD),分别对二维单缝与双缝亚波长周期性金属薄膜光栅的周期、厚度、缝隙宽度以及温度对电磁波透射增强现象的影响进行较为系统的研究。同时研究了该现象对太阳能薄膜电池的光吸收能量的影响。其中,考虑了采用金属自由电子气模型——Drude模型等效金属材料的色散,并采用辅助差分方程(Auxiliary Differential Equation,ADE)进行多物理场求解。
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