Ansys Lumerical | 纳米线栅偏振器仿真应用

高对比度偏振控制器件设计与性能分析


引言

随着亚波长金属光栅（纳米线栅偏振器）在高对比度偏振控制器件中的崛起，它们正逐渐取代传统的体光学元件。这些器件提供了优异的消光比对比度、极低的吸收，以及紧凑的几何设计，方便其在大规模制造与小尺寸光学元件中的集成。尽管表现可圈可点，设计纳米线栅偏振器仍面临着制造缺陷带来的挑战。本文将通过详细的分析，展示如何利用FDTD（时域有限差分）模拟技术，确保在任意角度条件下实现偏振控制器件的高透射性与对比度最大化。

应用示例：计算对比度

本示例采用FDTD方法计算了宽度（W）和厚度（H）分别为某一铝纳米线栅的玻璃基底（折射率n=1.4）构成的偏振器。光源从上表面照射偏振器，设置偏振器应能够阻挡S偏振光。对于特定波长下的偏振器，分析了对比度与光栅常数的关系，光栅常数在40nm至240nm范围内变化（相应线宽变化为20nm至120nm）。结果集成了三个波长（λ=450nm、λ=550nm、λ=650nm）的模拟数据，并通过与参考文献[1]中的研究结果对比验证了这种方法的有效性。

视频展示：对比度演变

为了更好地理解对比度的动态变化，引入了Movie Monitor功能，来可视化时域场的演变。通过调整仿真范围，覆盖了多个光栅周期，本案例重点关注了器件的五周期仿真，使其动态表现一目了然。




对比度与占空比分析

进一步通过参数扫描研究了对比度与光栅占空比的关系。针对550nm波长和140nm光栅常数的结构，本分析计算了正入射光条件下的对比度。结果描绘了对比度、S偏振光透射及P偏振光透射随占空比的变化曲线。模拟显示，对比度范围达到七个数量级，最大值出现在90%的占空比下。继续描述了S偏振光和P偏振光透射率在不同占空比下的特性，对于50%占空比情况透射率分别为8e10^5和80%，随着占空比的增加，透射率持续下降，表明较高的透射对于实现更高对比度是必要条件。

斜入射的影响

本部分扩展研究到非正入射光条件下，使用45度入射角，探究了铝纳米线栅偏振器的透射特性与场能分布。对于直接斜入射的光栅结构，仿真结果揭示了ED场强度分布缺乏典型的干涉模式，这表明了直角斜入射的区别。进一步分析了电场Ex及Ey场分量的实际与相位特性。结果显示无论在实际分布或相位方面，光源偏振设置为TE时，透射率相较于正常入射几乎保持不变，表明了斜入射对该结构的透射能力影响较小。

结论与展望

通过上述研究，本文强调了FDTD模拟在提高对比度偏振控制器件设计灵活性与性能优化中的重要作用。尽管理论上可实现高达1e10^4量级的对比度，然而在实际制造过程中，还需考虑缺陷与加工效率的限制，导致高水平对比度的实现面临挑战。未来，通过深入材料科学与微制造技术的进步，预期能够进一步缩小设计理论与实际应用之间的差距，为其在量子信息、光学通信、微光学等领域的大规模应用奠定坚实基础。

关键技术与资源


| 技术与资源 | 描述 |


| | |


| FDTD方法 | 时域有限差分模拟，评估光栅偏振器性能 |


| 光栅常数 | 控制光栅结构的关键参数 |


| 占空比 | 影响对比度及透射率的重要特征 |


| Monty Monitor | FDTD可视化工具，展示场的动态变化 |


| 突发光 | 现实光源特征，如LED光源 |

| TE（TM） | 指示偏振平面，TE为横向电场 "/"，TM为横向磁场 "\\" |

| 工程实践优化 | 包含材料选择、工艺改进、缺陷控制等设计考量 |