上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
采用有限时域差分（FDTD）法仿真了不同闪耀光栅结构上的银（Ag）薄膜模型。在633 nm的激发光下，闪耀光栅上周期为1/1200 mm、厚度为15 nm的Ag薄膜模型产生了较强的局域表面等离子体共振（LSPR）效应。利用机械刻划工艺和电子束蒸发镀膜工艺成功制备了这种Ag光栅薄膜，从而大幅降低了图案化电场增强薄膜的制备成本和难度。利用该电场增强Ag薄膜，基于表面增强拉曼散射（SERS），对亚甲基蓝染料进行检测，SERS信号强度增强，与FDTD仿真结果吻合。同时，基底不同位置处的主要特征峰强度的相对标准偏差（RSD）值都小于17%，薄膜表现出良好的均匀性和再现性。
薄膜 局域表面等离子体共振 有限时域差分法 金属薄膜 闪耀光栅 表面增强拉曼散射 中国激光
2023, 50(23): 2303101
1 浙江师范大学光学信息研究所, 浙江 金华 321004
2 浙江师范大学行知学院, 浙江 金华 321004
为了实现结构紧凑、性能稳定的回音壁微腔,提出一种在纤式并联双微盘结构,其中回音壁微腔与激发回音壁模式的光波导均处于光纤纤芯中。采用有限时域差分法研究模式分裂现象中对称模式与反对称模式随着两微盘耦合间距增大的变化规律。研究结果表明,对称模式与反对称模式之间存在竞争关系,随着耦合间距的增大,反对称模式的透射率先变大后变小,共振波长发生红移;对称模式则正好相反。通过计算分析制作工艺精度对模式分裂的影响。该研究结果可用于高灵敏度在纤式微盘光纤温度传感器的设计等领域。
光纤光学 回音壁模式 有限时域差分法 双微盘谐振器 模式分裂
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室，长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 暨南大学，广州市可见光通信工程技术重点实验室，广州 510632
为增强硅的蓝光吸收，在硅表面设计银纳米颗粒阵列，基于局域表面等离激元共振效应对增强的硅蓝光吸收特性进行了分析研究。采用有限时域差分法计算银纳米颗粒阵列/硅复合结构中硅的蓝光吸收特性。结果表明：金属颗粒的消光能力与其几何参数有关，改变银纳米颗粒阵列的半径r、高度H与周期P可调控局域表面等离激元共振强度与共振频率，当银纳米颗粒阵列参数设定为：r = 18.5 nm、H = 45 nm、P = 49 nm时，在共振吸收波长为465 nm的情况下，硅的蓝光吸收率由59%增加至94%，光吸收增益为0.57，光生载流子数目增益为0.53，分析认为是局域表面等离激元共振增强硅在蓝光波段的光吸收导致上述增益现象。本文的研究结果对了解局域表面等离激元效应，改善硅的蓝光吸收特性，设计和制备高蓝光响应度硅基可见光光电探测器具有重要的参考价值。
localized surface plasmon silicon blue light absorptivity FDTD method 局域表面等离激元 硅 蓝光 吸收率 有限时域差分法
1 衢州职业技术学院 信息工程学院, 衢州 324000
2 北京工业大学 电子信息与控制工程学院 光电子技术实验室, 北京 100124
为了提高发光二极管（LED）的光提取效率, 并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响, 采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED, 使它们出光面透射率达到最优, 随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量（光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h）和过渡层厚度d分别是: f=0.35,p=150nm,h=80nm,d=190nm;f=0.45,p=175nm,h=80nm,d=190nm; f=0.7,p=150nm,h=80nm,d=190nm。结果表明, 3种最优的LED结构在波长0.4μm～0.5μm范围内, 矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同, 等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低;由于光透射率最低, 导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低, 最高仅为58.07%, 但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率, 其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。
光栅 光提取效率 严格耦合波法 有限时域差分法 发光二极管 透射率 倒装 grating light extraction efficency rigorous coupled wave analysis finite-difference time-domain method ligth-emitting diode transmissivity flip chip
1 合肥工业大学 机械工程学院
2 安徽省数字化设计与制造重点实验室, 合肥 230009
为了研究Ag纳米线对单晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响, 设计了固定体积比例下具有三角形光栅和矩形光栅的单晶硅薄膜太阳能电池结构.在两种结构的Ag-Si交界处分别添加横向截面为圆形和矩形的Ag纳米线阵列, 利用有限时域差分法分别模拟计算了这两种结构的太阳能电池和对照组的吸收光谱.通过扫描优化得到两种光栅结构的最佳高度、纳米线横截面积以及分布密度, 并计算出最优条件下300~1 100 nm波段的光吸收效率.通过分析光吸收增强谱和电磁场强度分布图得出了含有纳米线模型在长波段的吸收增强机理.结果表明, 添加了Ag纳米线后的两种太阳能电池模型均比两种对照组模型具有更好的光捕获和吸收作用, 在矩形光栅模型中添加Ag纳米线后吸收效率的提升要比三角形光栅模型中更为明显.研究结果可为新型太阳能电池的结构参数设计提供参考.
光电子学 光吸收 有限时域差分法 Ag纳米线 硅薄膜太阳能电池 短路电流密度 Optoelectronics Light absorption Finite difference time-domain method Ag nanowire Silicon thin film solar cell Short circuit current density
1 桂林电子科技大学广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西 桂林 541004
2 广西信息科技实验中心, 广西 桂林 541004
3 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
提出了一种由左右、上下对称的一大一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用,以获得较好的强透射现象;同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用有限时域差分法研究了该孔阵列结构中大小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对强透射现象的影响。研究发现,当大圆弧半径为95 nm、小圆弧半径为70 nm、两圆弧的圆心距为100 nm、周期为425 nm时,该结构具有较好的强透射现象,其灵敏度为279 nm/RIU,为下一代高性能微纳米等离子体传感器的设计提供了理论参考。
表面光学 折射率传感特性 有限时域差分法 金属圆弧孔阵列 强透射 法布里-珀罗腔 表面等离激元
江苏大学 计算机科学与通信工程学院, 江苏 镇江 212013
采用克尔型非线性材料为光子晶体的介质柱, 构建线缺陷耦合腔波导。利用非线性有限时域差分法(NL-FDTD)进行模拟仿真, 并获得最佳宽带慢光效果。当群速度达到10-2数量级时, 带宽为0.0920, 比线性光子晶体耦合腔波导慢光带宽提高五倍, 而且群速度色散降低两个数量级, 实现了低群速度下更宽带宽和更低色散的慢光波导。
慢光 非线性光子晶体 线缺陷 非线性有限时域差分法 slow light nonlinear photonic crystal line defect nonlinear finite difference time-domain
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
3 上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程中心,上海 200093
太赫兹滤波器在通信、传感、成像等领域有着广泛的应用。提出了一个基于半导体材料砷化镓的周期性微结构可调谐太赫兹滤波器,并对半导体材料的电介质特性以及微结构的太赫兹滤波特性进行模拟研究。提出了基于光栅结构的太赫兹滤波器,用CST软件时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真,0.1~5.0 THz频段的太赫兹波垂直入射光栅表面,在225~325 K范围内可获得工作频率为0.35~1.51 THz,1.16 THz的滤波带宽,同时保持透过率在85%以上,这对太赫兹滤波器的滤波带宽和透过率的提升具有重大意义。
半导体材料 太赫兹滤波器 温控可调谐 微结构 有限时域差分法 semiconductor material terahertz filter thermally tunable microstructure finite difference time domain method
兰州交通大学 电子与信息工程学院, 兰州 730070
提出了一种二维三角晶格光子晶体“或非”和“非”全光逻辑门设计。该设计使用空气中的硅介质柱光子晶体材料, 其主体为四根光子晶体波导组成的四端口结构。通过平面波展开法和有限时域差分法计算了其能带结构和光学传输特性, 并对其逻辑功能进行了分析。结果显示, 通过控制光相位, 该结构能够实现“或非”和“非”逻辑功能, 结构尺寸为9.675μm×7.820μm, 响应周期为0.388ps。
光子晶体 全光逻辑门 有限时域差分法 光相位控制 photonic crystal all-optical logic gates FDTD optical phase control
