构造非线性时域有限差分法研究复合亚波长金属结构光二极管

The basic photonic device of integrated photon circuit is the optical diodes. To develop a modulated optical diodes, is expected to become the core technology of manufacturing photo computer in the future. Although researchers previously had designed various structures of optical diodes, but no one has studied with nonlinear optical materials composite of subwavelength metal structure to implement the optical diodes, as well as the regulatory mechanism of the optical diodes. Therefore, the project structure nonlinear finite difference time domain (FDTD) algorithm to study theoretical design of the composite metal - nonlinear dielectric optical diodes; By analyzing the similarities and differences between the different nonlinear material possessing nonlinear optical effects, to set up nonlinear finite difference time domain method, a numerical analysis tools; Through the use of extraordinary optical transmission (EOT) of composite subwavelength metal - nonlinear dielectric structure to achieve one-way transmission of the structure; Through the structural parameters optimization of the structure to improve the extinction ratio of optical diodes. By filling in or wrapping structure with the nonlinear dielectric material, to implement the dynamic regulation of the optical diodes and extent the range of the operating wavelength of optical diodes at a fixed structure. Implementation of the optical diodes is easy for large-scale integration of the optical path. Our aim is to work out a practical optical diodes which are of easy-dynamic regulation and having achieved wide-band unidirectional nonreciprocal, can easily be used for large-scale-integrated.

集成光子回路上最基本的光子器件就是光二极管，开发出一种可调制的光二极管，有望成为未来制造光计算机的核心技术。研究者们此前虽然已设计出多种结构的光二极管，但却没有人研究过利用与非线性光学材料复合的亚波长金属结构来实现光二极管，以及研究此光二极管的调控机制。为此，本项目构造非线性时域有限差分算法来研究复合金属-非线性电介质光二极管的理论设计；通过分析不同非线性材料的非线性光学效应的异同，建立非线性时域有限差分法这一数值分析工具，通过利用复合亚波长金属-非线性电介质结构的异常光学透射实现单向透射性，通过结构的结构参数优化提高光二极管的消光比，通过填充或包裹结构的非线性电介质的材料，实现光二极管的动态调控，扩展在固定结构下光二极管的工作波长范围。实现易用于大规模集成光路的光二极管。从理论上设计出实用的，易于动态调控的，实现宽频带单向透过性的，易用于大规模集成的光二极管器件。

本项目围绕申请书中提出的方案，主要研究了全光二极管的可能的器件。分析了其中的物理机制。从理想模型出发，我们用简正态模式分解理论推导和有限元法数值方法进行模拟计算分析了单缝—对称双凹槽纳米结构的透射增强现象，分析了透射增强和削弱的物理机理，给出了规约化的透射率随单狭缝和凹槽对之间的距离变化的远场透射谱，我们给出的理论和数值计算的结果符合的很好。理论计算表明，为了实现光波的单方向透射，我们严格规定该结构中对称凹槽的位置坐标，然后通过此透射谱精确确定凹槽的数量，得到银膜上表面在单狭缝两侧各对称分布5个凹槽, 下表面对称刻蚀6对凹槽的最优全光二极管结构，光在中心波长852nm附近正反两个方向的透射率之差可以非常大，此方案有效增强了全光二极管的单向透射性，最大消光比可以达到38.3dB，可以实现宽频带的光信号的单向导通。因此我们设计的结构组成的全光二极管达到了预期的目标。.若用全光二极管等全光器件构成全光计算机，那么，全光二极管之间一定是非常密集地排列的。这就要考虑周期阵列结构中各个全光二极管之间的相互影响。我们研究了各种亚波长微纳周期阵列结构的增强透射现象，并尝试分析和解释了部分物理机理，以及研究了它们之间的相互影响。 对于全光二极管的实际器件，我们构想了各种各样的理论方案，来实现全光二极管的效果。可以分为有限尺寸和无限或类无限周期阵列结构两类。有限尺寸的设计有两种。一种是亚波长单缝正反两个表面不同位置处刻蚀离单缝距离相等的凹槽对，另一种实用的器件是三维的亚波长圆孔周围正反两个表面不同位置处刻蚀平行的凹槽对或者与圆孔同心的圆环凹槽，这种结构的系统具有正反向的不对称性。无限或类无限周期阵列结构，我们研究了“田”字形、“回”字形、内嵌凹槽对金属亚波长狭缝、内嵌镜像矩形腔矩形金属狭缝阵列的增强透射现象、三明治型多层膜金属狭缝阵列结构的宽频透射、基于TPPs-SPPs混合模式激发的单缝加凹槽纳米结构的增强透射和等离子体诱导透明的双矩形—圆形波导滤波器设计，这样结构的系统有潜力发展成为具有正反向的不对称性。.本项目工作需要继续完善。需要加入填充或者包裹结构的非线性电介质来实现对光二极管的动态调制，改变传输波长，从而可对一个比较宽的波段加以单向传输处理。.本项目执行期间，已发表的标注本项目致谢的并围绕本项目课题内容的SCI论文4篇，EI论文7篇，软件著作权5项，已授权实用新型专利3项。