基于COMSOL计算扭曲光子晶体中偏振可调的BIC_Comsol_光学_UM

基于COMSOL计算扭曲光子晶体中偏振可调的BIC

连续体中的束缚态(BIC)由于其非辐射的特点已被证明是相关的在动量空间中具有拓扑电荷和涡旋极化奇点。对于常规对称的光子晶体板中，BIC被线极化远场所包围，不利于高容量和多功能集成光学应用。动量空间中如何调控其周围极化偏振是一个有趣的问题。

利用COMSOL来复现一篇国产小子刊，题为“Arbitrarily polarized bound states in the continuum with twisted photonic crystal slabs”。本文采用扭曲光子晶体结构实现了BIC附近线偏振往圆偏振的转化，BIC附近的偏振态具有相同的椭偏率。椭偏率由扭转角度直接决定。如下图所示：

图1：扭转光子晶体

采用本征求解器，首先采用挖孔结构完成建模，材料采用介质硅，设置一定的空气层高度并上下添加完美匹配层。前后左右的边界条件采用周期性边界条件，kx和ky代表x和y方向的波矢，如下图所示。

图2：建模

图3：周期性边界条件设置

扫描波矢kx，将ky设为0，我们计算得到方向的能带，如下图所示。此处纵坐标为波长，横坐标为波矢kx。插图为原文三维能带，结果一致。品质因子在点处趋于无穷大，证明了BIC的存在。

图4：能带计算

图5：品质因子计算

我们给予一定的扭转角度，设为45°，同时扫描波矢kx和ky。在上表面添加积分算子来计算斯托克斯参数，具体计算公式参考[ Physical Review Letters, 124(15), 153904.]的补充材料。最后绘制动量空间中的极化分布，此时BIC全部为圆偏振。

图6：椭偏率计算

图7：圆偏振分布

来源：320科技工作室

Lumerical FDTD采用脚本语言在计算过程更换材料数据

在Lumerical系列软件做仿真计算过程，我们经常会遇到要自定一些材料数据的，例如等离子振荡模型，或者一些参数数据等等。这些数据的导入虽然不是很困难，但是要想在再导入之后修改修改材料参数，那就显得非常麻烦了。因为这些数据每次都要导入，计算，循环往复。因此，本推文出于方便众多Lumerical FDTD使用者，而编写一个很方便更换材料数据的脚本。那就让我们以十分经典的介电常数模型为例子：这个数据模型显得有点复杂，并且如果我们要对进行参数扫描，那就非常困难了。我们分析一些材料模型涉及的参数：ε_E=18,ω_ex=1.9eV,Γ_ex=0.045eV 。考虑到WS2是具有各项异性的，还需要考虑out-of-plane介电常数:。到这里，WS2的介电常数已经非常复杂了。但是，我们还需要考虑f_0的变化对WS2光栅的影响。接下来，我们一步步分析这过程中如何用脚本编写材料模型以及如何调用脚本定义新的材料数据模型。对WS2的材料模型进行分析，在in-plane介电常数中ε_xx与ε_yy的线性均一致，而out-of-plane则保持在一个常数值ε_zz材料数据模型已经证实没有问题了，那接下就是如何设置定义材料模型并且导入数据。编写导入材料的脚本（部分）接下来使用这部分代码做参数扫描，扫描范围0-0.8，扫描点数800点，也就是换800次材料数据，这样的工作量是手动操作完成不了的。因此，该方案能够降低手动操作的频次，提高机器参与的称度，大大提高仿真效率。参考文献: Polaritonic coherent perfect absorption based on self-hybridization of a quasi-bound state in the continuum and exciton. Optics Express. 2023 Jan 30;31(3):4691-4700. doi: 10.1364/OE.482464.来源：320科技工作室