通信波段宽带吸收器设计研究
发布时间：2021-06-13 21:50
基于材料和尺寸不同的三光栅级联结构设计了一种通信波段电磁超材料吸收器。利用时域有限差分法（FDTD）数值分析了结构设计参数对吸收光谱的影响规律,获得了最佳结构。同时探究了吸收光谱对光源特性的依赖性。仿真结果证明,基于表面等离子共振和FP腔共振耦合形成的吸收光谱主要集中在0.66～1.78μm通信波段,吸收率均达94%以上。吸收谱带宽随介质层厚度增大明显展宽;而三光栅宽度比和高度比对吸收带宽几乎无影响,但对吸收率影响较大。因FP腔模和SPR模两种共振机制在同一单元周期下,共振波长沿相反方向漂移,近乎彼此抵消,导致吸收光谱带宽对周期不敏感;同时具有吸收光谱特性不受光源入射角限制的优势。
【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
吸收器结构示意图
FDTD(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)数值分析中,网格加密步长设置为2 nm。为了保证宽带吸收器对入射光波的高吸收率,Cr膜厚度优选150 nm,大于其在红外波段的趋附深度,因此没有透射光,此时吸收结构的光波吸收率可简化为A(λ)=1-R(λ),其中R(λ)为结构反射率。由于设计结构在x方向具有周期性,所以选取两个周期单元进行仿真计算,计算获得TM光波沿y轴反方向垂直入射的吸收结构共振光谱,如图2所示。所选用的结构尺寸分别为:p=615.4 nm;w1=141.3 nm;w2=310.9 nm;w3=163.2 nm;t1=133.3 nm;t2=399.9 nm;t3=266.6 nm;h=383.4 nm;d=150 nm;背景折射率为1.0。由图2可知,设计结构对入射光的吸收光谱主要集中在0.5～1.9 μm通信第三窗口波段,其中0.66～1.78 μm范围内的光波的吸收率均在90%以上,最高达100%。为了明确吸收光谱宽频带,高吸收率的产生机理,图3给出任选波长λ1=1.55 μm处电场和磁场的稳定分布。由图3(a)可知,入射光波在λ1波长处的电场主要集中在金属钨的各尖端处,伴随部分电场分布在金属钨之间的空隙内。而由图3(b)λ1波长处的磁场分布可知,磁场能量一部分局域在金属钨和介质层的界面,具有明显的表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)模特性,而另一部分局域在两金属钨之间SiO2光栅脊内,具有典型的FP腔(Fabry-Perot,FP)模共振特性,且金属钨之间的横向距离越短,磁场越强。至此可知,吸收结构激发的共振光谱是由表面等离子共振和FP腔共振两种耦合机制共同形成的。
由图4(b)和(c)可知,1.93 μm波长处的磁场主要局域在SiO2光栅脊内,是典型的FP腔共振形成的,而0.837 μm处的磁场分布包括表面等离子共振和FP腔共振两种耦合机制,但FP腔共振模式更强。由此可知,对于本文的设计结构,光栅等高和非等高结构的共性为形成机理均为表面等离子共振和FP腔共振耦合,且都为宽带吸收;不同点是两种耦合机制的权重各异;等高光栅结构中FP腔共振占比较大,导致吸收率不均衡,非等高结构中,两种耦合机制占比大致相当,导致宽谱吸收率近乎均衡相等。所以为了均衡宽带吸收本文采用非等高光栅设计结构。图4 等高光栅吸收结构特性
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强[J]. 黎志文,陆华,李扬武,焦晗,赵建林. 光学学报. 2019(01)
[2]利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强[J]. 高健,桑田,李俊浪,王啦. 物理学报. 2018(18)
[3]基于科赫分形的新型超材料双频吸收器[J]. 马岩冰,张怀武,李元勋. 物理学报. 2014(11)
本文编号：3228405
【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
吸收器结构示意图
FDTD(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)数值分析中,网格加密步长设置为2 nm。为了保证宽带吸收器对入射光波的高吸收率,Cr膜厚度优选150 nm,大于其在红外波段的趋附深度,因此没有透射光,此时吸收结构的光波吸收率可简化为A(λ)=1-R(λ),其中R(λ)为结构反射率。由于设计结构在x方向具有周期性,所以选取两个周期单元进行仿真计算,计算获得TM光波沿y轴反方向垂直入射的吸收结构共振光谱,如图2所示。所选用的结构尺寸分别为:p=615.4 nm;w1=141.3 nm;w2=310.9 nm;w3=163.2 nm;t1=133.3 nm;t2=399.9 nm;t3=266.6 nm;h=383.4 nm;d=150 nm;背景折射率为1.0。由图2可知,设计结构对入射光的吸收光谱主要集中在0.5～1.9 μm通信第三窗口波段,其中0.66～1.78 μm范围内的光波的吸收率均在90%以上,最高达100%。为了明确吸收光谱宽频带,高吸收率的产生机理,图3给出任选波长λ1=1.55 μm处电场和磁场的稳定分布。由图3(a)可知,入射光波在λ1波长处的电场主要集中在金属钨的各尖端处,伴随部分电场分布在金属钨之间的空隙内。而由图3(b)λ1波长处的磁场分布可知,磁场能量一部分局域在金属钨和介质层的界面,具有明显的表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)模特性,而另一部分局域在两金属钨之间SiO2光栅脊内,具有典型的FP腔(Fabry-Perot,FP)模共振特性,且金属钨之间的横向距离越短,磁场越强。至此可知,吸收结构激发的共振光谱是由表面等离子共振和FP腔共振两种耦合机制共同形成的。
由图4(b)和(c)可知,1.93 μm波长处的磁场主要局域在SiO2光栅脊内,是典型的FP腔共振形成的,而0.837 μm处的磁场分布包括表面等离子共振和FP腔共振两种耦合机制,但FP腔共振模式更强。由此可知,对于本文的设计结构,光栅等高和非等高结构的共性为形成机理均为表面等离子共振和FP腔共振耦合,且都为宽带吸收;不同点是两种耦合机制的权重各异;等高光栅结构中FP腔共振占比较大,导致吸收率不均衡,非等高结构中,两种耦合机制占比大致相当,导致宽谱吸收率近乎均衡相等。所以为了均衡宽带吸收本文采用非等高光栅设计结构。图4 等高光栅吸收结构特性
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强[J]. 黎志文,陆华,李扬武,焦晗,赵建林. 光学学报. 2019(01)
[2]利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强[J]. 高健,桑田,李俊浪,王啦. 物理学报. 2018(18)
[3]基于科赫分形的新型超材料双频吸收器[J]. 马岩冰,张怀武,李元勋. 物理学报. 2014(11)
本文编号：3228405
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