1980 年,Bell Communication Research 的 Eli Yablonovitch 提出了一个思考:如何减少特定频率范围内半导体激光器的损耗?他在透明介质中切割出周期性圆孔,并观察到一定频率范围内的光发生了损耗,无法穿透。Yablonovitch 发现这些结构与具有传导和价带的半导体类似,并将它们命名为光子晶体(与普林斯顿大学的 Sajeev John 合作)。下面我们将讨论利用光子晶体控制光的三个例子。
用光子晶体弯曲光
如下图所示,当GaAs柱以周期性方式排列时,能够以一定角度(本例为 90°)弯曲光线,并且还可以充当带通滤波器(也称为光子带隙)。
光子晶体示意图。
为了在COMSOL Multiphysics®软件和附加的波动光学模块中对上述光子晶体进行建模,使用散射边界条件和 1V/m的振幅表征横向电波(TE)(在z方向上极化)通过左边界传播。而其他边界被指定为没有入射场的散射边界条件。当计算不同波长的入射光模型时,我们得到透射率和反射率的图表,如下所示。
光子晶体的归一化透射率。
左:1000 nm 波长的通带。右:700 nm 波长的阻带。
光子晶体光纤建模
阶跃折射率光纤通过芯层的高折射率引导光,而光子晶体光纤(PCF)由微结构光纤构成,其通过折射率或带隙限制来引导光。在本篇博文中,我们主要研究折射率导引的 PCF,其中芯层由包层材料制成,其中填充着空气填充的孔。假设气孔的半径为0.3 *间距,其中间距是相邻孔之间的距离。
折射率导引 PCF 示意图。
为绘制色散图(有效折射率与归一化波长),我们对孔径参数从 0.23 um 到 4.69 um 的变化范围下进行模式分析。为了检测基模和高阶模,将搜索的模式数量增加到50。从50个模式中正确识别基模和高阶模将是一个挑战。其中一种方法是,在芯区域中对不同的有效模式指数(或有效折射率)积分。
孔半径在 4.65um 和15.5μm之间的芯层区域能量积分vs.有效模式指数。
有两种方法可以过滤掉虚假模式,而仅捕获有意义的基模和高阶模:
- 对能量应用过滤器; 例如,所需的有效折射率为
ewfd.neff*(intop1(ewfd.Poavz)>P_threshold)
,其中P_threshold
为可消除虚假模式的能量 - 观察基模和高阶模的有效模式指数以及是否重复
本例中,我们观察到的基本有效模式指数在40至45之间重复,而高阶模指数数量在20和25之间重复。通过利用这两个标准过滤掉虚假的模式,可以得到真实模式的色散曲线,基本上与参考文献1第9章中的图4匹配。
色散图:有效折射率vs.归一化波长(Ida0/pitch)。
光子带隙分析
与光子晶体模型的带隙分析相似,对带隙建模的另一种方法是指定特征值。在这种情况下,模拟GaAs柱的周期性布置,其中柱等距放置。与第一个例子类似,我们不是对GaAs支柱阵列进行建模,而是应用Floquet周期性边界条件仅对单个基本单元建模,如下所示。
从阵列模型转化为+/- X和+/- Y处使用周期性边界条件的单元等效模型。
对波矢k从0到0.5 进行助参数扫描,以评估(1,1)方向上的色散关系。另外,GaAs 材料的折射率被认为是随频率变化。从下面的色散关系可以看出,在带3和带4之间(也称为光子晶体的带隙)的(1,1)方向上没有EM波传播。
当波矢在(1,1)方向上从0变化到0.5时的色散关系。
结语
对光子晶体器件进行建模有不同的方法,无论是进行不同频率的参数扫描,模式分析还是求解特征值,光子晶体均可以用作滤波器和调制光路的工具,识别是在设计光子集成电路时尤其有用。此外,当执行模式分析时,对芯层区域的能量积分并过滤掉一些虚假模式,有助于获得有意义的基模和高阶模。最后,可以对基本单元以及Floquet周期性边界条件进行建模以执行带隙分析。
后续操作
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参考文献
- J.D. Joannopoulus, R.D. Meade, and J.N. Winn, Photonic Crystals (Modeling the Flow of Light), Princeton University Press, 2008.
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