關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)器件；禁帶效應(yīng)；等離子體缺陷；開(kāi)關(guān)調(diào)控；電磁波調(diào)制

光子晶體是一種介電常數(shù)呈周期變化的材料，通常通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)材料與空氣或其他具有折射率差異材料間的周期排列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁波透射率在特定頻段下出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，在當(dāng)前的電磁調(diào)制器件開(kāi)發(fā)中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。但受限于光子晶體器件調(diào)制功能較為單一、調(diào)制靈活性較低這一問(wèn)題，本文通過(guò)在現(xiàn)有光子晶體中設(shè)置等離子體二維點(diǎn)缺陷，利用禁帶缺陷態(tài)效應(yīng)，顯著提高了電磁調(diào)制器件的調(diào)制效率和靈活性，對(duì)于高效電磁調(diào)制器件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與有限元仿真具有一定借鑒意義。

本文主要從點(diǎn)缺陷和設(shè)置及電磁調(diào)制響應(yīng)Comsol仿真仿真展開(kāi)，基于禁帶缺陷態(tài)調(diào)制理論，本文選擇三角形晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，選用氧化鋁為纖維棒作為微結(jié)構(gòu)介質(zhì)材料進(jìn)行二維建模，氧化鋁纖維折射率為3.08，直徑為6mm，周?chē)h(huán)境為空氣，折射率為1。為設(shè)置二維點(diǎn)缺陷，在中間設(shè)置基于SiO2前提的等離子體缺陷，等離子體折射率為0.97，建模如圖1所示。

圖1（a）無(wú)點(diǎn)缺陷光子晶體結(jié)構(gòu)建模；（b）設(shè)置等離子體二維點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)建模

基于上述模型建立，對(duì)于此二維結(jié)構(gòu)仿真，波源采用端口激勵(lì)，波沿Y軸傳播TE模式，電場(chǎng)沿著Z軸振動(dòng)。為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，對(duì)于此模型中的TM波，沿X軸的兩個(gè)邊界處設(shè)為完美磁導(dǎo)體，可以用來(lái)模擬Ｘ軸方向上無(wú)限多層。

通過(guò)物理場(chǎng)控制網(wǎng)格劃分后，對(duì)于原始二維光子晶體結(jié)構(gòu)在6 GHz~16.2 GHz下進(jìn)行電磁仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在8~10 GHz和15.2~16 GHz下展現(xiàn)出兩個(gè)近零透過(guò)率的禁帶頻段，實(shí)現(xiàn)了較好的電磁調(diào)制。并由禁帶頻率9 GHz下電場(chǎng)分布解析可知，禁帶頻段下，特定波長(zhǎng)電磁波無(wú)法透過(guò)該光子晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而展現(xiàn)出極低透射率。

圖2 原始狀態(tài)下二維光子晶體全頻段透射率仿真及禁帶頻率下電場(chǎng)分布圖

為進(jìn)一步探究光子晶體禁帶效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)Comsol軟件對(duì)特定頻段下電場(chǎng)分布狀態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。在高透過(guò)率頻率下，電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)從發(fā)射端到吸收端的穿透分布，展現(xiàn)透過(guò)率“開(kāi)”狀態(tài)。而在禁帶頻率下，電場(chǎng)僅集中于發(fā)射端，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穿透，進(jìn)而展現(xiàn)透過(guò)率“關(guān)”狀態(tài)。

圖3 原始狀態(tài)下二維光子晶體不同頻率下電場(chǎng)分布圖

通過(guò)在光子晶體結(jié)構(gòu)中設(shè)置等離子體點(diǎn)缺陷，對(duì)該結(jié)構(gòu)在6 GHz~16.2 GHz下的響應(yīng)行為進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)禁帶頻段中的9 GHz和15.4 GHz附近出現(xiàn)了明顯的特征透過(guò)峰，實(shí)現(xiàn)了高效的電磁調(diào)制性能。

圖4基于等離子體二維點(diǎn)缺陷的光子晶體全頻段透射率仿真

為進(jìn)一步解析該調(diào)制理論，本文對(duì)特征頻率下電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。設(shè)置點(diǎn)缺陷時(shí)該結(jié)構(gòu)在9 GHz下，電場(chǎng)由原來(lái)的集中于發(fā)射端轉(zhuǎn)移為等離子體周?chē)奂瑥亩黾恿穗姶挪ù┩笍?qiáng)度，進(jìn)而在該頻率附近產(chǎn)生較強(qiáng)的特征透射峰，15.4 GHz下亦是如此。

圖5 點(diǎn)缺陷狀態(tài)下二維光子晶體不同頻率電場(chǎng)分布圖

本文基于Comsol軟件介紹了在光子晶體中設(shè)置點(diǎn)缺陷的理論和仿真方法，為提高調(diào)制效率及靈活性提供了些許借鑒，希望對(duì)微結(jié)構(gòu)電磁調(diào)制器件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供一定幫助。

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