Metodo di calcolo rapido del valore Q per risonatori a cristallo fotonico 2D.
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Metodo di calcolo rapido del valore Q per risonatori a cristallo fotonico 2D.
Sviluppo di algoritmi per l'ottimizzazione automatica delle strutture.
I risonatori a cristalli fotonici bidimensionali (2D-PhC) sono risonatori ottici con elevati valori Q che possono essere fabbricati con processi al silicio e che dovrebbero essere utilizzati in dispositivi ottici come interruttori e memorie ottiche. Quando si progettano i risonatori, la lunghezza d'onda di risonanza e il valore Q vengono analizzati mediante l'analisi del campo elettromagnetico con il metodo 3D-FDTD (three-dimensional time-domain difference), che notoriamente consuma molte risorse computazionali. Questa ricerca ha sviluppato un algoritmo che consente un calcolo più rapido del valore Q, che è particolarmente dispendioso in termini di tempo.
Il risonatore 2D-PhC confina la luce perpendicolare alla lastra per riflessione totale, quindi la luce nei modi del risonatore che non possono soddisfare la componente di riflessione totale irradia fuori dalla lastra, limitando il valore Q del risonatore. La regione di wavenumber che non soddisfa la condizione di riflessione totale, dove |k⊥|<ω0/c (k⊥ è il wavenumber in-plane e ω0 è la frequenza angolare di risonanza), è chiamata cono di luce (LC) nello spazio di Fourier (Fig. 1(b)) e nel metodo che proponiamo qui, il valore Q può essere calcolato determinando il tasso di riflessione Fresnel e il numero di riflessioni per unità di tempo per ogni componente di wavenumber nella LC. Il valore Q può essere calcolato determinando la riflettanza di Fresnel e il numero di riflessioni per unità di tempo per ogni componente di wavenumber nella LC.
L'algoritmo è stato applicato al risuonatore L3 per calcolare il valore Q. La struttura è illustrata nella Fig. 2. La spaziatura tra i vacanti era di 420 nm, il raggio dei vacanti era di 115,5 nm, lo spessore della lastra era di 210 nm, i vacanti ai lati del risonatore erano spostati verso l'esterno di 32 nm e il raggio dei vacanti era impostato a 63 nm. La lunghezza d'onda di risonanza per questa struttura era di 1572 nm. I valori Q calcolati con il metodo convenzionale e con il presente algoritmo basato sul decadimento dell'energia nel dominio computazionale sono mostrati nella Fig. 3. Nel calcolo con questo metodo sono state utilizzate le distribuzioni dei modi a 0 s, 250 fs e 1 ps dopo l'eccitazione. Il numero di strati R si riferisce al numero di file vacanti tra il risonatore e il dominio computazionale. La Fig. 3 mostra che i valori Q possono essere ottenuti con precisione solo dai dati immediatamente successivi alla fine della sorgente luminosa, anche quando il dominio computazionale viene ridotto. Risultati analoghi sono stati ottenuti per un risonatore a variazione di larghezza con Q > 107.
L'algoritmo ha dimostrato di ridurre significativamente sia il dominio di calcolo che il numero di passi di calcolo, riducendo il tempo di calcolo fino a 941 TP3T. Il lavoro futuro sarà finalizzato all'ottimizzazione automatica del risonatore 2D-PhC per valori di Q più elevati utilizzando questo metodo.
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