Optische Modenleckage durch eine Goldschicht

Die Geometrie meines Halbleiterbauelements ist unten angegeben. Die blauen Bereiche sind Gold, die grauen - Galliumarsenid (n-dotiert zu$2.9 \times 10^{15} \mathrm{cm^{-3}}$). Die Abmessungen sind μm, also 500μm breit, unten ist GaAs 400μm dick, dann folgt eine Goldschicht, dann eine 15μm Schicht GaAs, und oben eine 5μm Schicht Au:

Der dünnere GaAs-Streifen ist ein Lasermedium, bei dem Strahlung von 3 THz emittiert wird. Ich möchte den Einfluss der Dicke der dünnen Goldschicht auf das optische Modenprofil untersuchen. Ich habe das Profil für zwei Dicken simuliert: 20 nm und 200 nm. Unten sind die Diagramme des normalisierten E-Felds, zuerst 2D und dann ein Querschnitt entlang der Linie x = 0. Die Bogenlänge ist einfach die y-Achse des ersten Diagramms.

20nm

200nm

Im ersten Fall (20 nm) ist |E| sinkt von 450 V/m auf 90 V/m (5x). Im zweiten Fall (200 nm) ist |E| sinkt von 2800 V/m auf 10 V/m (280x).

Die Eigenschaften der Materialien sind wie folgt (Drude-Modell für GaAs, Literatur für Au):

+----------+--------+---------+
| Material | Im(ε)  | Re(ε)   |
+----------+--------+---------+
| Au       | 1.43e5 | -5.11e4 |
| GaAs     | -0.17  | 12.98   |
+----------+--------+---------+

Das Feld sollte wie folgt abnehmen$\exp(-\alpha z)$(Biergesetz), wo$\frac{1}{\alpha} = \delta \approx 50\mathrm{nm}$ist die Skintiefe für 3THz in Gold - diese errechnet sich aus:

$$\alpha = \frac{1}{\delta} = \frac{\kappa \omega}{c}$$ Wo $\kappa$ist der bekannte Wert für $Im(\tilde{n}) = 319$(Ordal et al., http://dx.doi.org/10.1364/AO.26.000744 ). Somit: $$E_2(20nm) = 450 \exp(-20/50) \approx 300$$ $$E_2(200nm) = 2800 \exp(-200/50) \approx 50$$

Das erste Ergebnis ist 3x höher und das zweite 5x höher als ich in der Simulation sehe.

Um dies zu überprüfen, habe ich das System für unterschiedliche Dicken der Goldschicht simuliert und die Daten an die Gleichung angepasst:

$$\frac{|E_2|}{|E_1|} = A \exp \left(-\frac{z}{\delta} \right)$$

Ich habe die folgende Handlung:

Und die Anpassung ergibt diese Parameter:

$$\frac{|E_2|}{|E_1|} = 0.32 \exp \left(-\frac{z}{41\mathrm{nm}} \right)$$

So$\delta=41\mathrm{nm}$nicht zu weit vom errechneten Wert entfernt ist. Was ich jetzt versuche zu verstehen ist:

Woher kommt der Faktor 0,32? Es ist offensichtlich viel wichtiger für geringere Golddicken, an denen ich interessiert bin. Hat es etwas mit der Normalisierung zu tun? Randbedingungen?

Ich habe erkannt, dass ich aufpassen sollte$\mathrm{E_y}$statt$\mathrm{|E|}$, aber ich habe es überprüft und die Werte sehen gleich aus.

Die COMSOL FEM-Software wurde verwendet, um das folgende Problem zu visualisieren. Die Frage ist verwandt - wenn auch anders - mit dieser: Der Skin-Effekt und die Reflektivität von Gold