【摘 要】
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微纳技术和集成电路技术的发展,为了获得更高的集成度不断降低组件、电路和器件等的物理尺寸,传统器件,电路以及材料等已经趋于极限,在这种背景下光学通信被认为是一种新的信息传输方法,因表面等离激元表现出亚波长限制和场模式增强的优势被认为是实现新型光学器件有力手段,并促进了新型光学材料的研究发展。近年来,原子厚度的二维纳米材料因其在光电子器件中的巨大潜力而受到广泛关注。其中基于二维纳米材料的波导激发的表面
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微纳技术和集成电路技术的发展,为了获得更高的集成度不断降低组件、电路和器件等的物理尺寸,传统器件,电路以及材料等已经趋于极限,在这种背景下光学通信被认为是一种新的信息传输方法,因表面等离激元表现出亚波长限制和场模式增强的优势被认为是实现新型光学器件有力手段,并促进了新型光学材料的研究发展。近年来,原子厚度的二维纳米材料因其在光电子器件中的巨大潜力而受到广泛关注。其中基于二维纳米材料的波导激发的表面等离子激元(SPPs)为光在深亚波长的传播和增强提供了一种新的机制。然而,二维纳米材料结构的建模和仿真仍然是一个挑战,电小厚度与电大横截面存在不相匹配的问题。为了能够高效地进行二纳米维材料等离子体波导模态分析,提出了基于混合谱元法的表面电流边界条件等效的数值方法。混合谱元法引入了横向矢量亥姆霍兹方程与高斯定律相结合的变分公式,利用Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式构建混合阶切向相容的矢量基函数对横向电场进行离散,利用GLL多项式构造的全连续标量基函数对纵向电场进行离散,混合谱元法保持了谱方法特有谱精度,能够保证在稀疏网格下获得高阶计算精度,数值结果具有谱收敛性。混合谱元法引入拉格朗日乘子对散度条件进行约束,从而能够彻底消除广义本征值问题中的伪物理模。因工作波长和趋肤深度远远大于纳米薄膜的厚度,表面电流边界条件可将二维纳米材料等效为零厚度的电流边界,从而将厚度信息从计算域中消除。因此它避免了直接离散纳米薄膜导致的致密网格和网格带来的大量未知数,并显著降低了计算成本。为了验证所提出的方法,我们分析了一些典型的二维纳米材料(石墨烯和黑磷)等离激元波导和基于表面等离激元的光学器件,并与传统有限元方法和解析解进行对比。实验结果表明该方法能够有效、准确地模拟二维纳米材料等离激元波导。
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