納米光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳輸效率研究

牛牧之 王睿

摘要：本文利用時(shí)域有限差分法FDTD，具體針對(duì)納米光學(xué)波導(dǎo)對(duì)光的調(diào)控作用開(kāi)展研究，探索光在多種材料與結(jié)構(gòu)下的透射效率。通過(guò)仿真分析，我們首先對(duì)比了SiO2、TiO2、Si和Ag四種材料薄膜結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的增加，薄膜干涉周期愈加密集。隨后，我們利用多層周期性結(jié)構(gòu)制作光子晶體，基于光的透射、反射和光子晶體內(nèi)部的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)[SiO2/TiO2]n光子晶體多層結(jié)構(gòu)的損耗較小，在λ/4的周期光程長(zhǎng)度下表顯出明顯的濾波現(xiàn)象，且隨著周期數(shù)的增大濾波現(xiàn)象愈加明顯。之后，我們?cè)诠庾泳w的基礎(chǔ)上用不同材料搭建出光柵形成諧振腔，對(duì)比了SiO2、TiO2、Si和Ag四種材料所組成的光柵在不同材料厚度與間隔比例下的透射率譜，發(fā)現(xiàn)其中SiO2透射率較高，而TiO2有著較為顯著的濾波性質(zhì)，且在厚度與間隔比例為2：1時(shí)可以產(chǎn)生明顯的諧振現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)光的傳輸效率。以上研究結(jié)果表明，利用納米光學(xué)原理，在光子晶體、光柵等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上有望獲得具有傳播效率高、可控性強(qiáng)的光子器件的設(shè)計(jì)思路，具有研究潛力和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：納米光學(xué)波導(dǎo)、光子晶體、納米光柵、時(shí)域有限差分法

1研究背景

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托识加辛烁叩囊?，光傳輸也因其?dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而如何使光信號(hào)像電信號(hào)一樣以需要的方式傳輸是取得成功的關(guān)鍵。然而，不同于電子器件依賴(lài)對(duì)電流的控制，光的傳播往往利用光的反射、干涉、諧振等多維度性質(zhì)來(lái)表示它的狀態(tài)，且擁有著能耗低、速度快、維度多的優(yōu)勢(shì)。[1]但是，光的傳播往往受到環(huán)境材料的折射率、入射光波的相干性以及傳播結(jié)構(gòu)的幾何形貌等因素的影響，并常常容易產(chǎn)生散射或吸收等產(chǎn)生較大的損耗，顯著地影響光在材料以及器件中傳播與調(diào)控的效率。[2]近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)針對(duì)特定的波長(zhǎng)，選擇特定的材料，并設(shè)計(jì)成特殊的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諧振可以明顯的增強(qiáng)。利用這一思想，人們可以制作多種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有望獲得較高效率的光波的傳輸與調(diào)制。[3]所以，為了開(kāi)發(fā)高效率的光子學(xué)器件，我們可以考慮巧妙地利用光和材料的各種性質(zhì)，設(shè)計(jì)出獨(dú)特的實(shí)體結(jié)構(gòu)，最大限度地發(fā)揮光傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

為了設(shè)計(jì)合適的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，我們可以首先考慮單一材料，根據(jù)材料的折射率和介電常數(shù)等性質(zhì)影響光與材料的相互作用，進(jìn)而調(diào)控光的振幅、相位和偏振等性質(zhì)。[4]一般來(lái)說(shuō)，金屬對(duì)于光的吸收作用較強(qiáng)，介電常數(shù)非常大，使光的透射極為有限，而介電材料的介電常數(shù)較低，對(duì)于光的透射效率較高，對(duì)光的調(diào)制能力也較強(qiáng)。然而，因?yàn)閷?duì)于光的控制僅限于材料本身的性質(zhì)，塊體材料對(duì)光的控制完全依賴(lài)光程的累積，常常存在著體積大、傳播效率低的問(wèn)題，且難以集成到微型結(jié)構(gòu)中。相比之下，晶體薄膜結(jié)構(gòu)更為節(jié)省材料，而且在沿薄膜厚度方向可以使光在材料中受到原子晶體場(chǎng)各向異性的影響，在特定的尺寸下可以對(duì)特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生諧振，提高光與材料的作用，甚至控制傳播效率。[5]但是，這種結(jié)構(gòu)仍然較為簡(jiǎn)單，對(duì)于光的調(diào)制能力十分有限。人們也可以使用一維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，利用金屬膜或介質(zhì)膜來(lái)控制光的傳播，從而制成激光器、放大器、傳感器等器件。[6]類(lèi)似地，半導(dǎo)體納米線(xiàn)波導(dǎo)也可以展現(xiàn)出一定的光控制能力，具有制作方便、損耗低、光約束能力強(qiáng)的特點(diǎn)。[7]然而，這些一維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)功能依然相對(duì)單一。近年來(lái)，光子晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)嚴(yán)格設(shè)計(jì)各層材料厚度，從而擁有在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的顯著光學(xué)調(diào)控能力，并起到濾波、調(diào)制器、傳感器等作用，開(kāi)始得到廣泛關(guān)注。[8]光子晶體由周期性的介電材料組成，而光是否能通過(guò)光子晶體取決于光的波長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，每種光子晶體都對(duì)應(yīng)著一個(gè)無(wú)法通過(guò)的光的波段，而這個(gè)波段被稱(chēng)為光子帶隙。根據(jù)它在不同維度上對(duì)光的調(diào)制能力，我們可以將光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體。同時(shí)，人們可以在亞波長(zhǎng)尺度的二維周期性結(jié)構(gòu)中制作光柵陣列從而形成諧振腔，在特定的波長(zhǎng)下進(jìn)一步加強(qiáng)光的透射。諧振指當(dāng)外力周期性作用于一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，并且外力作用頻率與系統(tǒng)的固有振蕩頻率十分接近時(shí)，該系統(tǒng)的振幅將急劇增大的現(xiàn)象。諧振腔是較為常見(jiàn)的納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以提高單個(gè)模式內(nèi)的光子數(shù)量，最終獲得單色性好，方向性強(qiáng)的強(qiáng)相干光。在納米級(jí)光學(xué)器件中，該性質(zhì)有利于減少傳播中能量損耗，從而最大化傳輸效率。[9]與上述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，擁有復(fù)合型周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體或光柵陣列，不僅能夠在納米尺度下利用電磁波和材料的相互作用來(lái)促進(jìn)光的傳播，而且在傳播效率、節(jié)省材料、調(diào)制能力、集成器件和多維度設(shè)計(jì)等方面均具有優(yōu)勢(shì)，因此在多方面都有著較大的應(yīng)用潛力。

本文意在設(shè)計(jì)納米尺度的光子波導(dǎo)晶體，因此在本文的研究中，我們將主要關(guān)注研究材料性質(zhì)、幾何尺寸等因素，在單層膜、光子晶體以及亞波長(zhǎng)納米光子光柵結(jié)構(gòu)等波導(dǎo)結(jié)構(gòu)下對(duì)光的傳輸效率的影響，探索利用納米光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高傳輸效率的光波導(dǎo)器件的可能性。以此，我們可以得出最佳的材料以及其結(jié)構(gòu)的組合，作為設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。其中，第一部分，我們將介紹研究課題的背景綜述，第二部分介紹研究問(wèn)題描述，第三部分介紹研究方案，第四部分給出研究?jī)?nèi)容與討論，第五部分給出總結(jié)。

2研究方法

為了探究各種材料在不同結(jié)構(gòu)下調(diào)控光的性質(zhì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了不同的微納光子結(jié)構(gòu)來(lái)探究光的傳播效率，并利用Lumerical公司的FDTD軟件進(jìn)行仿真模擬。FDTD（有限差分時(shí)域法）基于麥克斯韋方程組的微分形式，將時(shí)間進(jìn)行差分，并且磁場(chǎng)與電場(chǎng)交替迭代。因此，只要給定了所有空間點(diǎn)上電/磁場(chǎng)的初值，就可以一步一步地求出任意時(shí)刻所有空間點(diǎn)上的電/磁場(chǎng)值。因此，在設(shè)計(jì)、模擬應(yīng)用納米光子晶體、納米光柵等微小結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以利用FDTD進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬光在其中的傳播過(guò)程，以測(cè)試結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足預(yù)期。我們以632nm波長(zhǎng)為例，來(lái)探索、分析各項(xiàng)因素對(duì)于光傳播效率的影響，從而在各個(gè)方案中尋找高透射效率的一維光子晶體及一維光柵等常見(jiàn)光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)。

任務(wù)一：關(guān)于材料薄膜結(jié)構(gòu)的研究

在任務(wù)一中，我們測(cè)試了不同晶體的單層薄膜對(duì)于特定波長(zhǎng)下光的透射與反射的影響。我們分別選用了不同折射率的介電材料：SiO2（透明玻璃，折射率為1.5）、TiO2（半導(dǎo)體，折射率為2.5）、Si（半導(dǎo)體，折射率為4），以及Ag（金屬）等材料，分別設(shè)置成尺寸為2μm×2μm的薄膜，其厚度分別為100nm、200nm、500nm和1μm。之后，我們于平行于薄膜表面添加波長(zhǎng)范圍在400nm和1200nm區(qū)間內(nèi)的平面光源，入射光垂直入射薄膜表面，在光源前和薄膜后分別放置監(jiān)測(cè)器，以獲取薄膜樣品的光反射率和透射率。同時(shí)，我們?cè)谄叫杏诠鈧鞑シ较蚍胖昧吮O(jiān)測(cè)器，來(lái)計(jì)算光在傳播過(guò)程中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

任務(wù)二：關(guān)于光子晶體的研究

在單層薄膜的基礎(chǔ)上，我們研究了周期性多層膜光子晶體的相關(guān)性質(zhì)。通常光子晶體為了形成光的局域往往需要兩種不同折射率的材料交替組合。這里，我們采用了SiO2與TiO2、SiO2與Si、SiO2與Ag三種材料組合。為了使目標(biāo)波長(zhǎng)（632nm）的光在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生諧振，每一層薄膜的長(zhǎng)度周期d應(yīng)滿(mǎn)足d=n×l，即光程大小，其中n為材料的折射率，l為每一層薄膜的厚度。為了研究光在光子晶體中的疊加，我們根據(jù)λ/2和λ/4來(lái)確定周期長(zhǎng)度，即316nm和158nm，而不同材料的薄膜厚度則取決于其折射率。

在此基礎(chǔ)上，我們搭建了仿真模型，并計(jì)算光的透射和光場(chǎng)分布。類(lèi)似地，我們將每個(gè)薄膜的尺寸設(shè)置為2μm×2μm，根據(jù)上述關(guān)系計(jì)算出每一層的厚度，然后將兩種材料的薄膜交替排列。研究中，我們分別對(duì)比了周期數(shù)為2和4的兩種情況，即將兩種材料組成的薄膜重復(fù)2次或4次，如：[SiO2/Si]n，n=2或4。以Si和SiO2為例，根據(jù)λ/4波長(zhǎng)以及兩種材料的折射率，我們可以定義每一層Si和SiO2的厚度為39.5nm和105.3nm。隨后，我們放置了垂直于多層膜的平面光源，選擇了其中波長(zhǎng)在400nm和1200nm內(nèi)的區(qū)間作為觀測(cè)波段，并搭建了兩個(gè)平行于薄膜和一個(gè)水平平行于光源的監(jiān)測(cè)器來(lái)獲取多層膜結(jié)構(gòu)對(duì)于光的透射率、反射率譜和光傳播過(guò)程中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

任務(wù)三：關(guān)于光柵的研究

區(qū)別于多重材料組合形成的的周期性多層膜光子晶體，我們另研究設(shè)計(jì)了另一類(lèi)型的周期性多層膜光子晶體。與任務(wù)二不同，在任務(wù)三種我們每次僅使用一種材料，并使得每層材料之間間隔一定距離。這種設(shè)計(jì)構(gòu)成了光柵結(jié)構(gòu)，可以對(duì)光子傳播造成一定程度的影響。

在這一實(shí)驗(yàn)中，我們分別選用了銀（Ag）、硅（Si）、二氧化硅（SiO2）以及二氧化鈦（TiO2）四中材料。對(duì)于每一種材料，我們同樣將每個(gè)薄膜的尺寸設(shè)置為2μm×2μm，但是將其厚度依次改變，使得薄膜厚度與薄膜之間間隔的比例依次為1：1，2：1，3：2。我們將材料與間隔設(shè)為一組，每次實(shí)驗(yàn)將其重復(fù)4次，即4層薄膜，中間3層間隔。

搭建完主要結(jié)構(gòu)，我們?cè)诖怪庇谠摻Y(jié)構(gòu)的一段分別放置了平面光源，選擇了其中波長(zhǎng)在400nm和800nm內(nèi)的區(qū)間作為觀測(cè)波段，并搭建了兩個(gè)平行于薄膜和一個(gè)水平平行于光源的監(jiān)測(cè)器來(lái)獲取多層膜結(jié)構(gòu)對(duì)于光的透射率、反射率譜和光傳播過(guò)程中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

我們每次控制一個(gè)變量，分別探究了相同材料組合下光柵結(jié)構(gòu)薄膜厚度與薄膜之間間隔的比例對(duì)于透射率、反射率以及電場(chǎng)強(qiáng)度的影響和相同薄膜厚度與薄膜之間間隔的比例時(shí)，光柵材料對(duì)于該值的影響。

3結(jié)果與討論

任務(wù)一：關(guān)于材料薄膜結(jié)構(gòu)的研究

首先，我們計(jì)算了（a）SiO2、（b）TiO2、（c）Si、（d）Ag等四種材料在1μm厚度下的薄膜在400nm-1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射光譜。其中，SiO2、TiO2和Si所構(gòu)成的薄膜均表現(xiàn)出明顯的薄膜干涉現(xiàn)象，即透射率隨波長(zhǎng)呈周期性震蕩。由于不同材料的折射率不同，每種材料薄膜產(chǎn)生干涉的周期和透射率波動(dòng)范圍均有不同。且隨著材料折射率的增大，透射率曲線(xiàn)的震蕩周期逐漸變小。我們可以根據(jù)薄膜干涉中的光程差公式Δd=m·λ=2ndsin（θ）來(lái)判斷透射曲線(xiàn)的震蕩周期，其中m·λ為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，n為材料折射率，d為入射點(diǎn)的薄膜厚度，θ為折射角的大小。當(dāng)材料的折射率較小時(shí)，光程差的值較小，m·λ能取到的值較少，因此透射率曲線(xiàn)比較稀疏;反之，如果材料的折射率比較大，光程差也較大，那么m·λ可以滿(mǎn)足的量就比較多，透射率曲線(xiàn)也就比較密集。SiO2薄膜透射率較高，透射率曲線(xiàn)基本維持在80%以上，光在傳播過(guò)程中損耗較少。相比之下，TiO2的折射率較高，其薄膜可以在500nm以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持50%以上的透射率，但相比SiO2來(lái)說(shuō)，薄膜干涉導(dǎo)致的透射率震蕩變化更為顯著。對(duì)于Si薄膜來(lái)說(shuō)，在波長(zhǎng)范圍在700nm以下時(shí)透射率基本無(wú)法達(dá)到50%，表現(xiàn)出明顯的吸收與損耗，因此硅材料并不適合于在可見(jiàn)光波段傳輸電磁波。相比以上介質(zhì)材料，Ag薄膜表現(xiàn)出明顯的吸光性，使得該材料在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)基本無(wú)法產(chǎn)生透射。

相應(yīng)地，我們計(jì)算了四種材料薄膜對(duì)光的反射率譜。在三種介質(zhì)材料中，隨著材料折射率的增加，薄膜對(duì)于光的反射也逐漸增加。而在Ag薄膜中，反射率較高，基本維持在90%以上，表現(xiàn)出其金屬的特點(diǎn)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)材料薄膜在透射最強(qiáng)的波段反射最弱，而在反射最強(qiáng)時(shí)透射最弱，總體大致滿(mǎn)足透射率和反射率相加等于100%。

在以上四種材料中，我們首先選擇了TiO2，探究其薄膜在不同厚度下對(duì)光的透射效果。當(dāng)波長(zhǎng)范圍在600nm以上時(shí)，不同厚度的TiO2薄膜的透射率均能達(dá)到50%以上。同時(shí)，隨著薄膜厚度的增加，薄膜干涉導(dǎo)致的透射曲線(xiàn)震蕩愈加密集。這是由于當(dāng)薄膜的厚度增大時(shí)，薄膜干涉的光程差也隨之增大，此時(shí)m·λ（即波長(zhǎng)的整數(shù)倍）能取到的值也更多，因此透射曲線(xiàn)會(huì)更加密集。

相比TiO2薄膜，Si薄膜的透射率整體透射率更低，并且透射曲線(xiàn)的變化范圍更大，透射率基本在20%和90%之間震蕩。類(lèi)似地，隨著薄膜厚度的增加，透射曲線(xiàn)在薄膜干涉的作用下逐漸更為密集。

與介質(zhì)材料相比，Ag材料薄膜對(duì)光的透射大幅減少，當(dāng)薄膜厚度在100nm以上時(shí)光基本無(wú)法通過(guò)。然而，對(duì)于厚度為100nm的Ag薄膜來(lái)說(shuō)，透射率隨波長(zhǎng)增加而減小，其中短波長(zhǎng)的光有相對(duì)高的透射，在波長(zhǎng)為400nm時(shí)其透射率可以達(dá)到0.4%。

任務(wù)二：關(guān)于光子晶體的研究

為了確定不同光程長(zhǎng)度對(duì)光子晶體透射率的影響，我們分別測(cè)試了SiO2和TiO2所組成的光子晶體在λ/2和λ/4兩種周期下分別重復(fù)1次和2次時(shí)的透射光譜。如圖1所示，在兩種材料分別重復(fù)1次時(shí)，兩種光程長(zhǎng)度的光子晶體都表現(xiàn)

出薄膜的性質(zhì)，因?yàn)楫?dāng)光程長(zhǎng)度為λ/2時(shí)光子晶體厚度更大，所以表現(xiàn)出的薄膜干涉現(xiàn)象則更為明顯，但此時(shí)兩種光子晶體對(duì)光的調(diào)制能力均不顯著。

當(dāng)重復(fù)次數(shù)達(dá)到2次時(shí)，光程長(zhǎng)度為λ/4的光子晶體出現(xiàn)濾波現(xiàn)象，即對(duì)波長(zhǎng)范圍在500nm至800nm區(qū)間光的透射明顯降低到40%左右。而長(zhǎng)度周期為λ/2的光子晶體依然顯示出薄膜的特性，沒(méi)有體現(xiàn)出顯著的濾波現(xiàn)象。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中我們都選取了調(diào)制能力更強(qiáng)的光程長(zhǎng)度為λ/4的光子晶體進(jìn)行測(cè)試。

在選擇λ/4的光程長(zhǎng)度后，我們選擇了[SiO2/TiO2]n在每層材料重復(fù)次數(shù)為2次、3次、4次和5次的幾種情況進(jìn)行測(cè)試。我們發(fā)現(xiàn)，光子晶體在每種周期數(shù)下均在波長(zhǎng)為632nm左右時(shí)表現(xiàn)出顯著的濾波現(xiàn)象。且隨著周期數(shù)的增加，濾波現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，其中光子晶體在632nm處的透射率由2層時(shí)的40%逐步下降為5層時(shí)的2%。

長(zhǎng)度下的透射率對(duì)比

與透射率相對(duì)應(yīng)地，當(dāng)周期數(shù)增加時(shí)，光子晶體對(duì)光的反射也隨之增強(qiáng)。在波長(zhǎng)為632nm處，光子晶體的反射率由2層時(shí)的60%逐步上升到5層時(shí)的98%。反射率和透射率基本滿(mǎn)足相加等于100%。

為了進(jìn)一步探究[SiO2/TiO2]n光子晶體的濾波作用，我們對(duì)比了光子晶體在632nm波長(zhǎng)的光下不同重復(fù)次數(shù)時(shí)的橫截面電場(chǎng)分布情況。如圖2所示，我們可以清晰地觀察到在光在通過(guò)每一層光子晶體后，光子晶體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度逐步降低。當(dāng)周期數(shù)為2時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度由1.92逐步降為0.71左右;當(dāng)周期數(shù)為3時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度在光通過(guò)光子晶體后可降低至0.41左右;當(dāng)周期數(shù)為4時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度可降低至0.3左右;而當(dāng)周期數(shù)為5時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度最終可降低至0.2左右。當(dāng)周期數(shù)越多時(shí)，光子晶體的濾波現(xiàn)象也就越顯著。

之后，在其他條件不變的情況下，我們仿真模擬了針對(duì)532nm波長(zhǎng)光的[SiO2/TiO2]4光子晶體，并將其與針對(duì)632nm波長(zhǎng)光的[SiO2/TiO2]4光子晶體的透射率譜進(jìn)行對(duì)比。光子晶體的透射曲線(xiàn)產(chǎn)生了近似水平的平移，濾波波段由632nm附近完全移動(dòng)到532nm附近。這說(shuō)明該光子晶體的濾波性質(zhì)完全可控，在設(shè)計(jì)上擁有可遷移性的優(yōu)勢(shì)。

為了探究不同材料的性質(zhì)對(duì)于光子晶體透射率的影響，我們分別選用了TiO2、Si、Ag三種材料與SiO2進(jìn)行組合組成光子晶體進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。與[SiO2/TiO2]5相比，[SiO2/Si]5的濾波波帶更寬，大致能夠覆蓋500-800nm，且在此波段光的損耗也更大，透射率接近0%。而[SiO2/Ag]5相比以上介質(zhì)材料而言，幾乎無(wú)法透射任何波段的光。

任務(wù)三：關(guān)于光柵的研究

接下來(lái)，為了確定不同材料對(duì)光子晶體光柵結(jié)構(gòu)透射率的影響，我們選定比例為1：1分別測(cè)試了SiO2/TiO2/Si/Ag四種材料所組成的光柵在400nm到800nm波段的透射光譜。如圖所示，光柵結(jié)構(gòu)對(duì)特定波長(zhǎng)的光出現(xiàn)濾波現(xiàn)象。其中，TiO2的濾波效果最為明顯：對(duì)波長(zhǎng)范圍在550nm至600nm、650nm到720nm區(qū)間光的透射明顯降低到0%左右。Si以及SiO2兩種材料均由濾波現(xiàn)象出現(xiàn)，但透射率以及濾波程度分別較TiO2有所減小。而對(duì)于Ag，總體透射率極低，看不出明顯的濾波效果。因此，在選擇材料時(shí)，應(yīng)充分考慮需要達(dá)到的效果，并據(jù)此選擇合適的材料。

比例為1：1時(shí)的透射率對(duì)比

類(lèi)似的，我們選定比例為2：1分別測(cè)試了SiO2/TiO2/Si/Ag四種材料所組成的光柵在400nm到800nm波段的透射光譜?？梢钥闯觯糠N材料透射率的分布趨勢(shì)整體與1：1時(shí)相同，但是整體濾波及透射效果不如比例為1：1的情況。

接下來(lái)，我們控制材料保持不變，探究不同薄膜厚度與間隔比例對(duì)光子晶體光柵結(jié)構(gòu)透射率的影響。從圖4可以看出，在400nm-800nm波段，每種比例均會(huì)出現(xiàn)2次明顯的濾波現(xiàn)象;在改變薄膜厚度與間隔比例時(shí)，對(duì)應(yīng)濾波的波段也會(huì)有所偏移。因此，不同比例的光柵可以對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光，以最大化傳輸效率。

進(jìn)一步，我們對(duì)比了晶體光柵結(jié)構(gòu)在632nm波長(zhǎng)的光下不同重復(fù)次數(shù)時(shí)的橫截面電場(chǎng)分布情況。我們可以觀察到，當(dāng)晶體厚度和間隔比例為1：1和3：2時(shí)，在光在通過(guò)每一層晶體結(jié)構(gòu)后，光子晶體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度逐步降低：當(dāng)比例為1：1時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度由0.64逐步降為0.35左右;當(dāng)比例為3：2時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度由0.8逐步降為0.15左右。然而，當(dāng)比例為2：1時(shí)，在光在通過(guò)每一層晶體結(jié)構(gòu)后，光子晶體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度卻逐步升高：電場(chǎng)強(qiáng)度由開(kāi)始的0.3左右逐步升為0.63左右。根據(jù)此現(xiàn)象分析，2：1的光柵和632nm的出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象，在經(jīng)過(guò)4層光柵結(jié)構(gòu)后增強(qiáng)了電場(chǎng)強(qiáng)度。可以看出，2：1的周期性結(jié)構(gòu)有利于諧振效應(yīng)的產(chǎn)生，并增加了光的傳輸過(guò)程及其傳輸強(qiáng)度，潛在的為未來(lái)波導(dǎo)器件的開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)思路。相反，當(dāng)結(jié)構(gòu)比例是3：2的光柵結(jié)構(gòu)中獲得晶體厚度和兩晶體間隔的最佳比例時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度相比前述的比例，光場(chǎng)下降最為明顯。因此，未來(lái)對(duì)于特定的光源傳輸過(guò)程中，特定的尺寸設(shè)計(jì)是十分必要的關(guān)注因素。

4總結(jié)

利用納米光子材料探究光與材料在微納尺度下的相互作用，研究光傳輸過(guò)程中獲得較高傳輸效率的設(shè)計(jì)思路，是目前納米光子器件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。本研究關(guān)注光子器件中光傳輸?shù)目刂圃?huà)題，針對(duì)提高光的傳播效率并且減少傳輸中的能量損耗這一問(wèn)題，利用FDTD仿真、分別控制納米級(jí)光柵的材料與結(jié)構(gòu)二者變量方法，研究了各種材料在不同結(jié)構(gòu)下調(diào)控光的性質(zhì)，具體結(jié)果包括：

選取在晶體結(jié)構(gòu)中光的透射率、反射率和電場(chǎng)強(qiáng)度分布三個(gè)重要參數(shù)作為評(píng)定納米級(jí)光子波導(dǎo)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，選取TiO2、SiO2、Si以及Ag四中材料為主要分析的材料;

在對(duì)復(fù)雜模型簡(jiǎn)化后，我們利用FDTD進(jìn)行模擬仿真：

在同一結(jié)構(gòu)下，分別探究TiO2、SiO2、Si以及Ag四中材料及他們的組合作為光子晶體中主要的構(gòu)成材料對(duì)光傳播效率的影響;

在同種材料（多重材料組合）下，改變材料排列的結(jié)構(gòu)（單層薄膜、多重材料周期性多層膜、單層材料周期性多層膜），分別探究了光子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)對(duì)光傳播效率的影響;

對(duì)于某一結(jié)構(gòu)，在不改變波導(dǎo)材料及結(jié)構(gòu)的前提下，改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，根據(jù)透射率分布變化探究該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的遷移性;

對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)中傳感器接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá);

根據(jù)對(duì)透射率、折射率以及電場(chǎng)分布關(guān)于入射光波長(zhǎng)的函數(shù)分布的分析，觀察并得出關(guān)于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與特定波長(zhǎng)的光形成諧振/濾波的普適結(jié)論，從而總結(jié)每種光柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性，并分析其是否具有可遷移性以及應(yīng)用價(jià)值。

這一工作較為系統(tǒng)的計(jì)算和分析了不同材料以及其光子結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸?shù)挠绊?，結(jié)果對(duì)研究和設(shè)計(jì)可見(jiàn)光波段下的光子器件，獲得較高效率提供了一定的理論分析和應(yīng)用支持，對(duì)未來(lái)相關(guān)器件的原理研究與開(kāi)發(fā)打下一定的基礎(chǔ)。

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