基于材料和尺寸不同的三光柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種通信波段電磁超材料吸收器。利用時域有限差分法（FDTD）數(shù)值分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對吸收光譜的影響規(guī)律,獲得了最佳結(jié)構(gòu)。同時探究了吸收光譜對光源特性的依賴性。仿真結(jié)果證明,基于表面等離子共振和FP腔共振耦合形成的吸收光譜主要集中在0.66～1.78μm通信波段,吸收率均達(dá)94%以上。吸收譜帶寬隨介質(zhì)層厚度增大明顯展寬;而三光柵寬度比和高度比對吸收帶寬幾乎無影響,但對吸收率影響較大。因FP腔模和SPR模兩種共振機(jī)制在同一單元周期下,共振波長沿相反方向漂移,近乎彼此抵消,導(dǎo)致吸收光譜帶寬對周期不敏感;同時具有吸收光譜特性不受光源入射角限制的優(yōu)勢。 

【文章來源】：光電子·激光. 2020,31(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

吸收器結(jié)構(gòu)示意圖

FDTD(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)數(shù)值分析中,網(wǎng)格加密步長設(shè)置為2 nm。為了保證寬帶吸收器對入射光波的高吸收率,Cr膜厚度優(yōu)選150 nm,大于其在紅外波段的趨附深度,因此沒有透射光,此時吸收結(jié)構(gòu)的光波吸收率可簡化為A(λ)=1-R(λ),其中R(λ)為結(jié)構(gòu)反射率。由于設(shè)計結(jié)構(gòu)在x方向具有周期性,所以選取兩個周期單元進(jìn)行仿真計算,計算獲得TM光波沿y軸反方向垂直入射的吸收結(jié)構(gòu)共振光譜,如圖2所示。所選用的結(jié)構(gòu)尺寸分別為: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;背景折射率為1.0。由圖2可知,設(shè)計結(jié)構(gòu)對入射光的吸收光譜主要集中在0.5～1.9 μm通信第三窗口波段,其中0.66～1.78 μm范圍內(nèi)的光波的吸收率均在90%以上,最高達(dá)100%。為了明確吸收光譜寬頻帶,高吸收率的產(chǎn)生機(jī)理,圖3給出任選波長λ1=1.55 μm處電場和磁場的穩(wěn)定分布。由圖3(a)可知,入射光波在λ1波長處的電場主要集中在金屬鎢的各尖端處,伴隨部分電場分布在金屬鎢之間的空隙內(nèi)。而由圖3(b)λ1波長處的磁場分布可知,磁場能量一部分局域在金屬鎢和介質(zhì)層的界面,具有明顯的表面等離子共振(Surface plasmon resonance,SPR)模特性,而另一部分局域在兩金屬鎢之間SiO2光柵脊內(nèi),具有典型的FP腔(Fabry-Perot,FP)模共振特性,且金屬鎢之間的橫向距離越短,磁場越強(qiáng)。至此可知,吸收結(jié)構(gòu)激發(fā)的共振光譜是由表面等離子共振和FP腔共振兩種耦合機(jī)制共同形成的。

由圖4(b)和(c)可知,1.93 μm波長處的磁場主要局域在SiO2光柵脊內(nèi),是典型的FP腔共振形成的,而0.837 μm處的磁場分布包括表面等離子共振和FP腔共振兩種耦合機(jī)制,但FP腔共振模式更強(qiáng)。由此可知,對于本文的設(shè)計結(jié)構(gòu),光柵等高和非等高結(jié)構(gòu)的共性為形成機(jī)理均為表面等離子共振和FP腔共振耦合,且都為寬帶吸收;不同點是兩種耦合機(jī)制的權(quán)重各異;等高光柵結(jié)構(gòu)中FP腔共振占比較大,導(dǎo)致吸收率不均衡,非等高結(jié)構(gòu)中,兩種耦合機(jī)制占比大致相當(dāng),導(dǎo)致寬譜吸收率近乎均衡相等。所以為了均衡寬帶吸收本文采用非等高光柵設(shè)計結(jié)構(gòu)。圖4 等高光柵吸收結(jié)構(gòu)特性

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]光學(xué)薄膜塔姆態(tài)誘導(dǎo)石墨烯近紅外光吸收增強(qiáng)[J]. 黎志文,陸華,李揚(yáng)武,焦晗,趙建林.  光學(xué)學(xué)報. 2019(01)
[2]利用窄刻槽金屬光柵實現(xiàn)石墨烯雙通道吸收增強(qiáng)[J]. 高健,桑田,李俊浪,王啦.  物理學(xué)報. 2018(18)
[3]基于科赫分形的新型超材料雙頻吸收器[J]. 馬巖冰,張懷武,李元勛.  物理學(xué)報. 2014(11)



本文編號：3228405