Método de cálculo rápido del valor Q para resonadores de cristal fotónico 2D.
Investigación
Método de cálculo rápido del valor Q para resonadores de cristal fotónico 2D.
Desarrollo de algoritmos con vistas a la optimización automática de estructuras.
Los resonadores de cristal fotónico bidimensional (2D-PhC) son resonadores ópticos con altos valores Q que pueden fabricarse mediante procesos de silicio y que se espera que se utilicen en dispositivos ópticos como interruptores y memorias ópticas. Al diseñar los resonadores, la longitud de onda resonante y el valor Q se analizan mediante el análisis del campo electromagnético utilizando el método de diferencias tridimensionales en el dominio del tiempo (3D-FDTD), que se sabe que consume muchos recursos computacionales. Esta investigación ha desarrollado un algoritmo que permite un cálculo más rápido del valor Q, que es particularmente lento desde el punto de vista computacional.
El resonador 2D-PhC confina la luz perpendicular a la losa por reflexión total, por lo que la luz en los modos del resonador que no pueden satisfacer la componente de reflexión total irradia fuera de la losa, limitando el valor Q del resonador. La región de número de onda que no satisface la condición de reflexión total, donde |k⊥|<ω0/c (k⊥ es el número de onda en el plano y ω0 es la frecuencia angular de resonancia), se denomina cono de luz (LC) en el espacio de número de onda (Fig. 1(b)). El valor Q puede calcularse determinando la reflectancia de Fresnel y el número de reflexiones por unidad de tiempo para cada componente de número de onda en la LC.
El algoritmo se aplicó al resonador L3 para calcular el valor Q. La estructura se muestra en la Fig. 2. El espacio entre las vacantes era de 420 nm, el radio de la vacante era de 115,5 nm, el grosor de la losa era de 210 nm, las vacantes de los lados del resonador se desplazaron hacia fuera 32 nm y el radio de la vacante se fijó en 63 nm. La longitud de onda de resonancia de esta estructura era de 1572 nm. Los valores Q calculados por el método convencional y el presente algoritmo a partir del decaimiento de la energía en el dominio computacional se muestran en la Fig. 3. Las distribuciones de modos a 0 s, 250 fs y 1 ps después de la excitación se utilizaron en el cálculo con este método. El número de capas R se refiere al número de filas de vacantes entre el resonador y el dominio computacional. La Fig. 3 muestra que los valores de Q sólo pueden obtenerse con precisión a partir de los datos inmediatamente posteriores al final de la fuente de luz, incluso cuando se reduce el dominio computacional. Se obtuvieron resultados similares para un resonador de ancho variable con Q > 107.
Se demostró que el algoritmo reduce significativamente tanto el dominio computacional como el número de pasos computacionales, reduciendo el tiempo de cálculo hasta en 941 TP2T. El trabajo futuro tendrá como objetivo la optimización automática del resonador 2D-PhC para valores Q más altos utilizando este método.
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