CN109459850B - 一种局域光场结构的实现及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，涉及微纳光子学领域。本发明对待设计区域的平面进行网格划分，确定网格数量和每个网格的形状，用“0”、“1”矩阵来表示每个网格中填充的材料，通过优化算法选取光学品质因子(Q)最大的结构作为最终结果，形成Q极高的平面局域光场的结构。本发明对形状的限制较小，无需单独优化各个结构参数，设计过程直接由算法完成，能够节省大量的时间，并且形状不受旧有经验的限制，从而能够产生效果更好的结构。由于本发明采用易于加工的平面结构，可以采用微纳加工方法制备，适于芯片上的集成应用，推动局域光场化相关领域发展。

Description

一种局域光场结构的实现及设计方法

技术领域

本发明涉及微纳光子学领域，具体涉及一种局域光场结构的实现及设计方法。

背景技术

光场局域化能够在一定时间内囚禁光子，增强光与物质相互作用，实现慢光效应、全光存储、光学传感等，是一门新兴的光子学技术。光场的局域化具有很多物理性质，比如光的自发辐射抑制行为、能量转移性质等，这使得局域光场结构在基础物理和应用光子学等多个研究领域中得到广泛关注。目前，局域光场结构的主要是光学微腔。光学微腔是一种能使光波在其中来回反射，从而形成谐振的微纳尺度腔体结构。通常可以用光学品质因子(Q)来描述该结构囚禁光子的能力，即其局域光场的性能。Q越高，表明光子在介质结构中被局域的时间越长；Q越低，表明光子在介质结构中被局域的时间越短。由于光波能够在光学微腔内反射多次，因此腔内具有很强的光场，极大地增强了光与物质相互作用。然而，传统的光学微腔大都由特定形状的介质构成，通常包括法布里珀罗腔、光子晶体微腔、微芯圆环腔等，形状有很大的限制。以光子晶体微腔为例，它是由不同节点材料在空间周期性排列形成的，具有光子能带结构，有缺陷的光子晶体可以将光局域到缺陷微腔内。但这些光学微腔结构是都是基于光子晶体结构来设计，通过人为设计缺陷位置或转移矩阵等方式在光子晶体结构上引入周期性无序，需要花大量的时间进行结构形状的尝试和参数的调整，最终确定效果较好的结构，而这一过程的周期相当长，且具有很大的随机性，还有可能错过其他产生相似功能的结构。

发明内容

针对现有技术中实现局域光场的结构存在的下述缺陷：需要花大量的时间进行结构形状的尝试和参数的调整，最终确定效果较好的结构，所述过程的周期相当长，具有很大的随机性，且有可能错过效果最好的结构。本发明公开的一种用于实现局域光场结构的设计方法要解决的技术问题为：基于优化算法自动设计随机结构、同时形成光学品质因子(Q)极高的平面局域光场的结构。具有如下优点：(1)不需要人工过多参与，省时省力；(2)产生局域光场的结构不再局限于常规的光学微腔形状，且具有随机性，能够突破对形状认知局限。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，对待设计区域的平面进行网格划分，确定网格数量和每个网格的形状，在物理场仿真软件中初步建立几何模型，通过划分的网格排布形成完整结构。确定局域光场结构所使用的两种不同折射率的材料，每个网格填充材料只能任选高折射率材料或低折射率材料，“1”代表高折射率材料，“0”代表低折射率材料，用随机组合的“0”“1”矩阵来表示对应的局域光场结构，通过优化算法随机组合的“0”“1”矩阵，在物理场仿真软件中根据对应的“0”“1”矩阵中的元素为每个网格设置材料，并进行仿真得到对应结构的光学品质因子(Q)，即根据优化算法随机组合的“0”“1”矩阵得到对应的局域光场结构及其对应Q，舍弃Q较小的结果，留取Q较大的结果，对于留下的结果进行一定的随机变化，随机改变“0”“1”矩阵中的部分元素，得到优化的结构，参与下一次的仿真和筛选。经过若干次迭代之后，选取Q最大的结构作为最终结果，形成Q极高的平面局域光场的结构。

本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，能够实现任意物理尺寸的网格划分，因此结构不受物理尺寸限制，能够利用微纳加工方法制备，所述的微纳加工方法包括聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光方法。

本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，局域光场结构是平面结构，因此易于加工，能够利用目前最先进的微纳加工方法制备，适于芯片上的集成应用，推动局域光场相关领域发展。所述局域光场相关领域包括激光物理、显示技术、微纳光子学器件及生物医学领域。

作为优选，对待设计区域的平面进行网格划分，网格形状划分为马赛克型，当网格形状划分为马赛克型时，实现局域光场结构包括一层或多层有一定厚度的矩形二维结构，每层由若干个相同形状和大小的矩形网格构成，每个矩形网格在两种不同折射率的材料中选择一种来填充，进而能够根据本发明公开的一种用于实现局域光场结构的设计方法优化设计出Q极高的平面局域光场的结构。

所述的优化算法优选遗传算法。

作为优选，所述的物理场仿真软件优选COMSOL Multiphysics软件。

作为优选，所述的物理场仿真软件对结构进行仿真计算光学品质因子(Q)的方法如下：得到结构的特征频率f以及对应的特征模式，计算出特征模式下的电场分布。在整个结构内对能量密度时间均值进行积分，得到结构内储存的总能量W，在边界上对时均功率流出进行积分，得到边界上散失的时均功率P，利用Q的定义式Q＝2πf/P即计算出结构的光学品质因子。

作为优选，所述的两种不同折射率的材料，选择硅、氮化硅、空气任何折射率大于等于1的绝缘介质。

有益效果：

1、本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，对待设计区域的平面进行网格划分，确定网格数量和每个网格的形状，用“0”“1”矩阵来表示每个网格中填充的材料，通过优化算法选取光学品质因子(Q)最大的结构作为最终结果，形成Q极高的平面局域光场的结构。与传统的人工设计光学微腔的方法相比，本发明提供一种新的用于实现局域光场结构的设计方法，对形状的限制较小，无需优化各个结构参数，设计过程直接由算法完成，能够节省大量的时间，并且形状不受旧有经验的限制，从而能够产生效果更好的结构，达到了更理想的效果。

2、本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，局域光场结构是平面结构，不受经验对结构形状的局限，能够产生任何使Q较高的形状结构，此外，平面结构易于加工，能够利用目前最先进的微纳加工方法制备，适于芯片上的集成应用，推动局域光场化相关领域发展。所述局域光场化相关领域包括激光物理，显示技术、微纳光子学器件及生物医学工程多个领域。

3、本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，能够实现任意物理尺寸的网格划分，因此，不受物理尺寸限制，能够利用目前最先进的微纳加工方法制备，所述的微纳加工方法包括聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光方法。

4、本发明公开的一种局域光场结构的实现及设计方法，可灵活调整材料的折射率、结构尺寸等参数，满足不同工作波长的需求。

附图说明

图1：马赛克型局域光场结构的二维示意图，图中黑色区域代表的是高折射率材料，白色区域代表低折射率材料，网格仅仅作为示意，实际的结构不包含细网格线。器件工作时，入射光由左侧中间部分正入射。

图2：入射频率在100THz到400THz时，结构对应的光学品质因子(Q)随频率的变化。插图为灰色矩形区域内的频率对应的透过率。

图3：入射频率为199.86THz(对应波长为1500nm的光)时，结构内部电场的振动模式。

图4：以遗传算法为例，设计结构的具体过程。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

为了验证设计方法所设计的结构局域光场的性能，设计一个边长4μm的正方形局域光场结构，划分为10×10个边长400nm的正方形网格，选取硅和空气作为材料。器件工作时，波长为1500nm、垂直于结构所在平面的线偏振光从结构左侧边缘中心区域内入射。

本实施例公开一种局域光场结构的实现及设计方法，在COMSOLMultiphysics中初步建立几何模型，使用矩形阵列功能实现正方形网格的划分，每个网格填充材料只能任选硅或空气，“1”代表硅，“0”代表空气，用随机组合的“0”“1”矩阵来表示对应的局域光场结构。

在MATLAB中编程实现遗传算法，首先生成一系列随机的“0”“1”矩阵，对应不同的结构，作为个体的基因，由若干个体构成一个种群。对于每个个体，分别在MATLAB中分别调用COMSOL Multiphysics进行建模和仿真，使用COMSOL Multiphysics中的“电磁波，频域”模块对结构进行仿真，得到结构的特征频率f以及对应的特征模式，计算出特征模式下的电场分布。在整个结构内对能量密度时间均值进行积分，得到结构内储存的总能量W，在边界上对时均功率流出进行积分，得到边界上散失的时均功率P，利用光学品质因子(Q)的定义式Q＝2πf/P即可计算出结构的光学品质因子。当得到每个个体的Q之后，删除Q较小的个体，只保留最佳的一部分个体。将剩余个体进行杂交和变异。杂交的具体过程为随机选择两个个体，交换“0”“1”矩阵中的一部分元素，得到一个新的个体。变异的具体过程为随机选择一个个体，随机变化“0”“1”矩阵中的一部分元素，得到一个新的个体。通过若干次杂交和变异，得到一系列新的个体，重新将种群填充到初始大小。重复以上步骤，经过很多次迭代后，取Q最高的结构作为最终结果，得到图1所示的结构。所述过程由MATLAB程序自动实现，不需要人工参与“0”“1”矩阵的修改与结构的仿真。需要说明的是，由于遗传算法等优化算法具有一定的随机性，因此每次运行不一定能得到完全相同的结果，但是都具有很高的Q，都能实现预期的目标。遗传算法的整体流程如图4所示。

如图2所示，所得的结构在入射频率为199.86THz时具有很高的Q，仿真值为3394。可以看出，虽然该结构非常随机，不受经验对结构形状的局限，但是经过算法的迭代，依然能够实现很高的Q。

如图3所示，所得的结构在入射频率为199.86THz时，电场主要集中在结构内部，边界处耗散掉的能量较少。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种局域光场结构的实现及设计方法，其特征在于：对待设计区域的平面进行网格划分，确定网格数量和每个网格的形状，在物理场仿真软件中初步建立几何模型，通过划分的网格排布形成完整结构；确定局域光场结构所使用的两种不同折射率的材料，每个网格填充材料只能任选高折射率材料或低折射率材料，“1”代表高折射率材料，“0”代表低折射率材料，用随机组合的“0”“1”矩阵来表示对应的局域光场结构，通过优化算法随机组合的“0”“1”矩阵，在物理场仿真软件中根据对应的“0”“1”矩阵中的元素为每个网格设置材料，并进行仿真得到对应结构的光学品质因子Q，即根据优化算法随机组合的“0”“1”矩阵得到对应的局域光场结构及其对应的Q，舍弃Q较小的结果，留取Q较大的结果，将剩余个体进行杂交和变异，杂交的具体过程为随机选择两个个体，交换“0”“1”矩阵中的一部分元素，得到一个新的个体；变异的具体过程为对于留下的结果进行一定的随机变化，随机改变“0”“1”矩阵中的部分元素，得到一个新的个体；通过若干次杂交和变异，得到一系列新的个体，重新将种群填充到初始大小，重复以上步骤；经过若干次迭代之后，选取Q最大的结构作为最终结果，形成Q极高的平面局域光场的结构。

2.如权利要求1所述的一种局域光场结构的实现及设计方法，其特征在于：对待设计区域的平面进行网格划分，网格形状划分为马赛克型，当网格形状划分为马赛克型时，实现局域光场结构包括一层或多层有一定厚度的矩形二维结构，每层由若干个相同形状和大小的矩形网格构成，每个矩形网格在两种不同折射率的材料中选择一种来填充，进而能够根据所述的一种局域光场结构的实现及设计方法优化设计出光学品质因子Q极高的平面局域光场的结构。

3.如权利要求1或2所述的一种局域光场结构的实现及设计方法，其特征在于：所述的优化算法选遗传算法，结构设计过程主要由算法来完成，生成的结构每次迭代用COMSOLMultiphysics软件来仿真电磁场。

4.如权利要求1或2所述的一种局域光场结构的实现及设计方法，其特征在于：所述的物理场仿真软件对结构进行仿真计算光学品质因子Q的方法如下，得到结构的特征频率f以及对应的特征模式，计算出特征模式下的电场分布；在整个结构内对能量密度时间均值进行积分，得到结构内储存的总能量W，在边界上对时均功率流出进行积分，得到边界上散失的时均功率P，利用光学品质因子的定义式Q＝2πf/P即计算出结构的光学品质因子。

5.如权利要求1或2所述的一种局域光场结构的实现及设计方法，其特征在于：所述的两种不同折射率的材料，选择任何折射率大于等于1的绝缘介质，所述介质包括硅、氮化硅、空气。

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