關鍵詞：FDTD；Charge；可調諧；MOS結構；載流子濃度
電光開關的等離子體吸收體的電可調諧性是高度可調的。通過施加偏置電壓，在氧化物層中產生較大的場強，同時載流子在氧化物-半導體界面處形成累積層或耗盡層（金屬的載流子濃度較大，耗盡層相比于半導體來說可以忽略不計）。載流子濃度的變化引起折射率的改變，導致光譜特性也發生變化，利用這一點，我們可以制作電偏置的開關。如題1所示，我們的設計采用金屬-氧化物-半導體電容器配置（MOS），包括金屬Au鏡面，氧化鈦間隔層和半導體氧化銦錫（ITO）材料。鋁在紅外具有高反射率，因此是一種合適的結構材料。作為活性層的 ITO 薄膜被插入元表面和間隔物之間。Au層和ITO層作為電極材料，當在 ITO 和底部 Au 之間施加電壓時，ITO 層中的自由電子會在 ITO 和氧化鈦的界面附近聚集。氧化鈦具有很高的相對介電常數（κ =81），因此內部可以產生很強的電場，載流子也因此可以大量聚集。因此，通過外加電場效應載流子的積累，可以實現ITO折射率的顯著電壓可調變化，從而對入射的偏振光實現光學性能的調諧，即電光開關。
圖1 MOS結構及加電偏置示意圖
透明導電氧化物（TCO）中的ITO作為一種有前途的等離子體材料被廣泛研究，具有低損耗和制造兼容性，ITO的光學介電常數可以用Drude模型近似：
其中，ε∞是高頻介電常數，ω是光波的角頻率，γ是與自由載流子阻尼系數，wp是等離子屏率。其中等離子體頻率定義如下：
等離子體頻率由載流子濃度和有效質量m*有關。根據上述公式，光學材料的介電常數隨載流子濃度的變化而變化。其中MOS型結構中加電壓前后載流子濃度變化引起的折射率變化如下公式:
在本文的例子中，我們先通過Lumerical Charge軟件仿真結構的電學特性，外加電壓為正負5V，仿真ITO薄膜的載流子濃度隨外加電壓0V、5V、-5V載流子濃度的變化，由于載流子濃度的變化會導致薄膜等離子頻率的變化，因此會導致光譜的變化，所以把電學數據通過Lumerical FDTD軟件求解器件的光學性質變化，證明電光開關的可行性。
通過在ITO薄膜上加載流子濃度的監視器，可以得到ITO薄膜中的載流子濃度隨偏置電壓的變化，外加-5V電壓時，左側（ITO和TiO2交界處）形成載流子耗盡層，外加5V電壓時，形成載流子累積層。
圖2 ITO薄膜在外加電壓下的載流子濃度分布
對具有不同載流子濃度分布ITO薄膜的器件進行反射率光譜仿真，外加偏振光斜入射，得到如圖3所示的光譜，可以證明MOS結構可以實現電偏置的吸收調諧器。
圖3 MOS結構在外加電壓下的光譜分布
為了更好地理解MOS器件吸收的性質，我們模擬了TiO2和ITO薄膜的電場分布，如圖4所示，電場大部分局域在ITO和TiO2界面并且靠近ITO薄膜，說明ITO薄膜吸收了大部分的光強，導致在2.23um左右出現一個反射谷。
圖4 MOS結構的電場分布
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