基于comsol进行等离子体缺陷的二维微结构电磁调制仿真

关键词：微结构器件；禁带效应；等离子体缺陷；开关调控；电磁波调制

光子晶体是一种介电常数呈周期变化的材料，通常通过调节介质材料与空气或其他具有折射率差异材料间的周期排列结构，实现电磁波透射率在特定频段下出现谐振现象，在当前的电磁调制器件开发中有着极为广阔的应用前景。但受限于光子晶体器件调制功能较为单一、调制灵活性较低这一问题，本文通过在现有光子晶体中设置等离子体二维点缺陷，利用禁带缺陷态效应，显著提高了电磁调制器件的调制效率和灵活性，对于高效电磁调制器件的开发设计与有限元仿真具有一定借鉴意义。

本文主要从点缺陷和设置及电磁调制响应Comsol仿真仿真展开，基于禁带缺陷态调制理论，本文选择三角形晶格结构进行建模，选用氧化铝为纤维棒作为微结构介质材料进行二维建模，氧化铝纤维折射率为3.08，直径为6mm，周围环境为空气，折射率为1。为设置二维点缺陷，在中间设置基于SiO2前提的等离子体缺陷，等离子体折射率为0.97，建模如图1所示。

图1（a）无点缺陷光子晶体结构建模；（b）设置等离子体二维点缺陷结构建模

基于上述模型建立，对于此二维结构仿真，波源采用端口激励，波沿Y轴传播TE模式，电场沿着Z轴振动。为了计算结果的准确，对于此模型中的TM波，沿X轴的两个边界处设为完美磁导体，可以用来模拟Ｘ轴方向上无限多层。

通过物理场控制网格划分后，对于原始二维光子晶体结构在6 GHz~16.2 GHz下进行电磁仿真，仿真结果如图2所示。仿真结果表明该结构在8~10 GHz和15.2~16 GHz下展现出两个近零透过率的禁带频段，实现了较好的电磁调制。并由禁带频率9 GHz下电场分布解析可知，禁带频段下，特定波长电磁波无法透过该光子晶体结构，进而展现出极低透射率。

图2 原始状态下二维光子晶体全频段透射率仿真及禁带频率下电场分布图

为进一步探究光子晶体禁带效应产生机制，通过Comsol软件对特定频段下电场分布状态进行分析，分析结果如图3所示。在高透过率频率下，电场实现从发射端到吸收端的穿透分布，展现透过率“开”状态。而在禁带频率下，电场仅集中于发射端，无法实现穿透，进而展现透过率“关”状态。

图3 原始状态下二维光子晶体不同频率下电场分布图

通过在光子晶体结构中设置等离子体点缺陷，对该结构在6 GHz~16.2 GHz下的响应行为进行仿真分析，结果如图4所示。仿真结果表明该结构在两个禁带频段中的9 GHz和15.4 GHz附近出现了明显的特征透过峰，实现了高效的电磁调制性能。

图4基于等离子体二维点缺陷的光子晶体全频段透射率仿真

为进一步解析该调制理论，本文对特征频率下电场分布进行了仿真，仿真结果如图5所示。设置点缺陷时该结构在9 GHz下，电场由原来的集中于发射端转移为等离子体周围聚集，从而增加了电磁波穿透强度，进而在该频率附近产生较强的特征透射峰，15.4 GHz下亦是如此。

图5 点缺陷状态下二维光子晶体不同频率电场分布图

本文基于Comsol软件介绍了在光子晶体中设置点缺陷的理论和仿真方法，为提高调制效率及灵活性提供了些许借鉴，希望对微结构电磁调制器件的开发设计提供一定帮助。