JP5113572B2 - Simulation method and simulation program - Google Patents
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Description
本発明は、FDTD法を利用したシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムに関するものである。 The present invention relates to a simulation method and a simulation program using the FDTD method.
金属部材を含む構造物の一例としては、複数の金属ストリップ(金属細線)がほぼ平行に配列されて構成される金属回折格子がある。このような金属回折格子は、ワイヤグリッド偏光子、またはディスプレイ関連光学装置における偏光コントローラとしてしばしば利用される。各金属ストリップの幅または周期が、金属回折格子に入射する光の波長に比べて小さい場合、回折格子特性は、金属ストリップの幅および周期、入射ビームの偏光および入射角に依存する。そのため、所望の回折格子特性が得られるように、金属ストリップの幅及び周期等を入射ビームの特性などに応じて設計する必要がある。 As an example of a structure including a metal member, there is a metal diffraction grating configured by arranging a plurality of metal strips (fine metal wires) substantially in parallel. Such metal diffraction gratings are often utilized as wire grid polarizers or polarization controllers in display related optical devices. If the width or period of each metal strip is small compared to the wavelength of light incident on the metal diffraction grating, the diffraction grating characteristics depend on the width and period of the metal strip, the polarization of the incident beam, and the incident angle. Therefore, it is necessary to design the width and period of the metal strip according to the characteristics of the incident beam, etc. so that the desired diffraction grating characteristics can be obtained.
金属部材を含む構造物へ電磁波が入射した場合の電磁界の解析には、解析的な手法を利用したシミュレーションが適用される。例えば、厳密結合波解析(RCWA :rigorous coupled wave analysis)などの解析的方法が無限の大きさを仮定した回折格子に対して使用されることがある。しかしながら、RCWAに例示される解析的方法では、(1)有限の大きさを仮定すべき構造又は有限の幅を有する入射ビームの場合には使用することができない、(2)不規則な境界面を扱うことができない、(3)媒質の誘電率を複素数としているが、その実部は入射ビームの角周波数に依存していないことを仮定している、等の問題点がある。よって、例えば、上述した配列方向の長さが有限である回折格子、すなわち、実際の回折格子により近い形態を正確に解析できず、また、金属部材が、銀、アルミニウム、金などの貴金属からなる場合には、可視領域においてシミュレーションの結果で得られる電磁界分布と、実空間での電磁界分布との差が大きくなる。 A simulation using an analytical method is applied to the analysis of the electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member. For example, analytical methods such as rigorous coupled wave analysis (RCWA) may be used for diffraction gratings assuming an infinite size. However, in the analytical method illustrated in RCWA, (1) it cannot be used in the case of an incident beam having a structure or finite width that should assume a finite size, (2) an irregular boundary surface (3) Although the dielectric constant of the medium is a complex number, it is assumed that the real part does not depend on the angular frequency of the incident beam. Therefore, for example, the above-described diffraction grating having a finite length in the arrangement direction, that is, a form closer to the actual diffraction grating cannot be accurately analyzed, and the metal member is made of a noble metal such as silver, aluminum, or gold. In this case, the difference between the electromagnetic field distribution obtained as a result of the simulation in the visible region and the electromagnetic field distribution in the real space becomes large.
一方、上記のような問題点を解決可能なシミュレーション手法として、不規則な境界面を有しており、有限の大きさの仮定が有効な構造物又は無限の仮定が可能な構造物のどちらにも適用可能なFDTD法(Finite Differential Time Domain method)が知られている(例えば、特許文献1,2参照)。FDTD法は、FDTD領域を複数のセルに分割して、マクスウェル方程式内の空間および時間微分を有限差分によって近似することでマクスウェル方程式を直接解くものであり、様々な金属構造を解析するために使用されてきている。そして、FDTD法の場合、例えば、デバイ(Debye)、ドルーデ(Drude)、またはローレンツ(Lorentz)など、誘電率についての様々な解析的モデルが、周波数領域畳み込みを使用することによって、FDTDに組み込むことができる。このような畳込みを利用した方法は、帰納的畳み込み(Recursive Convolution)法(以下、単にRC法ともいう)として知られている。
しかし、従来のFDTD法を利用したシミュレーションでは、空間的離散化の値等の条件設定によっては、シミュレーションが不安定になる傾向にあった。 However, in the simulation using the conventional FDTD method, the simulation tends to become unstable depending on the condition setting such as the value of spatial discretization.
そこで、本発明は、FDTD法によるシミュレーションをより安定して実施可能なシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムを提供すること目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a simulation method and a simulation program capable of more stably performing a simulation by the FDTD method.
本発明のシミュレーション方法は、金属部材を含む構造物に電磁波が入射した場合の電磁界を、FDTD法に従って解析するためのシミュレーション方法であって、構造物の解析モデルが配置されるFDTD領域の空間離散化条件を、金属部材の誘電率を基にコンピュータにより決定する離散化条件決定工程と、離散化条件決定工程で決定された空間離散化条件に基づいて、解析モデルに電磁波が入射した場合の電磁界を、帰納的畳み込み法を用いたFDTD法に従ってコンピュータにより算出する解析工程と、を備え、離散化条件決定工程では、帰納的畳み込み法において上記誘電率をドルーデの分散式で表すことで得られる帰納的関係式内の2つの変数c1,c2であって、FDTD領域において所定波長を表すための格子点の数及びFDTD領域における電磁波の解析用速度並びに金属部材の上記誘電率を含むプラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fを用いて下記式(1),(2)で表される変数c1,F,c2,F:
において、プラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fに含まれる誘電率を、所定波長の電磁波に対する実測値又は実測値に基づいて決まる値とした場合に、変数c1,F,c2,Fが、FDTD法における計算の安定化条件としての下記式(3)及び式(4)を満たすと共に、
解析用速度が0.7より小さくなるように、格子点の数及び解析用速度をコンピュータによって決定することを特徴とする。
The simulation method of the present invention is a simulation method for analyzing an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member according to the FDTD method, and is a space in an FDTD region in which an analysis model of the structure is arranged. The discretization condition is determined by a computer based on the dielectric constant of the metal member and the spatial discretization condition determined in the discretization condition determination process is used. And an analysis step of calculating an electromagnetic field by a computer according to an FDTD method using an inductive convolution method. In the discretization condition determination step, the dielectric constant is obtained by expressing the dielectric constant by a Drude dispersion formula in the inductive convolution method. a two variables c 1, c 2 in a recursive relationship in which is the number of grid points for representing a predetermined wavelength in the FDTD region and Following equation using the plasma angular frequency omega p, F and the collision frequency [nu c, F including the dielectric constant of an electromagnetic wave analysis rate and metal member in the DTD region (1), the variable c 1 represented by the formula (2) , F 2 , c 2, F :
, The dielectric constants included in the plasma angular frequency ω p, F and the collision frequency ν c, F are measured values for electromagnetic waves having a predetermined wavelength, or values determined based on the measured values, variables c 1, F , c 2, F satisfies the following formulas (3) and (4) as the stabilization conditions for the calculation in the FDTD method,
The number of grid points and the analysis speed are determined by a computer so that the analysis speed is less than 0.7.
また、本発明に係るシミュレーションプログラムは、金属部材を含む構造物に電磁波が入射した場合の電磁界を、FDTD法に従って解析するためのシミュレーションをコンピュータに実行させるためのシミュレーションプログラムであって、構造物の解析モデルが配置されるFDTD領域の空間離散化条件を、金属部材の誘電率を基にコンピュータにより決定する離散化条件決定工程と、離散化条件決定工程で決定された空間離散化条件に基づいて、解析モデルに電磁波が入射した場合の電磁界を、帰納的畳み込み法を用いたFDTD法に従ってコンピュータにより算出する解析工程と、をコンピュータに実行させ、離散化条件決定工程では、帰納的畳み込み法において上記誘電率をドルーデの分散式で表すことで得られる帰納的関係式内の2つの変数c1,F,c2,Fであって、FDTD領域において所定波長を表すための格子点の数及びFDTD領域における電磁波の解析用速度並びに金属部材の上記誘電率を含むプラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fを用いて下記式(5),(6)で表される前記変数c1,F,c2,F:
において、プラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fに含まれる上記誘電率を、所定波長の電磁波に対する実測値又は実測値に基づいて決まる値とした場合に、変数c1,F,c2,Fが、FDTD法における計算の安定化条件としての下記式(7)及び式(8)を満たすと共に、
解析用速度が0.7より小さくなるように、格子点の数及び解析用速度をコンピュータに決定せしめることを特徴とする。
The simulation program according to the present invention is a simulation program for causing a computer to execute a simulation for analyzing an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member according to the FDTD method. Based on the discretization condition determining step for determining the spatial discretization condition of the FDTD region in which the analysis model is arranged by the computer based on the dielectric constant of the metal member, and the spatial discretization condition determined in the discretization condition determining step Then, the computer executes an analysis step of calculating an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on the analysis model by a computer according to an FDTD method using an inductive convolution method. In the discretization condition determination step, an inductive convolution method is used. In the recursive relational expression obtained by expressing the above dielectric constant with the Drude dispersion formula Two variables c 1, F, a c 2, F, plasma angular frequency, including the dielectric constant of the number and the analysis speed of electromagnetic waves in FDTD regions and the metal member of the lattice points for representing a predetermined wavelength in the FDTD region The variables c 1, F , c 2, F represented by the following formulas (5) and (6) using ω p, F and the collision frequency ν c , F :
When the dielectric constant included in the plasma angular frequency ω p, F and the collision frequency ν c, F is an actual value for an electromagnetic wave having a predetermined wavelength or a value determined based on the actual value, the variables c 1, F , c 2, F satisfies the following formulas (7) and (8) as the stabilization conditions of the calculation in the FDTD method,
The computer is configured to determine the number of grid points and the analysis speed so that the analysis speed is less than 0.7.
上記本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムでは、所定波長λを有する電磁波に対する金属部材の誘電率の実測値及び実測値に基づいて決まる値を使用して、FDTD法における計算の安定化条件を満たすようにFDTD領域の空間離散化を図っている。そのため、より正確なシミュレーションを安定して実施することが可能である。 In the simulation method and the simulation program according to the present invention, the measured value of the dielectric constant of the metal member with respect to the electromagnetic wave having the predetermined wavelength λ is used, and the value determined based on the measured value is used to satisfy the calculation stabilization condition in the FDTD method. Thus, the spatial discretization of the FDTD region is attempted. Therefore, more accurate simulation can be stably performed.
また、本発明に係るシミュレーション方法では、実空間における電磁波の所定波長をλ、電磁波の速度をv及び所定波長に対応する角周波数をωλとし、FDTD領域における格子点の数をλF、解析用速度をvFとし、角周波数ωλに対する誘電率の実部及び虚部の値をεr及びεiとし、角周波数ωλに対応するFDTD領域における解析用角周波数ωFを、
としたとき、衝突周波数νc,F及びプラズマ角周波数ωp,Fは、
として与えられることが好ましい。
In the simulation method according to the present invention, the predetermined wavelength of the electromagnetic wave in the real space is λ, the velocity of the electromagnetic wave is v, the angular frequency corresponding to the predetermined wavelength is ω λ , the number of lattice points in the FDTD region is λ F , and the analysis is performed. Suppose that the speed of operation is v F , the values of the real part and the imaginary part of the dielectric constant with respect to the angular frequency ω λ are ε r and ε i, and the analysis angular frequency ω F in the FDTD region corresponding to the angular frequency ω λ is
Where the collision frequency ν c, F and the plasma angular frequency ω p, F are
Is preferably given as
同様に、本発明に係るシミュレーションプログラムでは、実空間における電磁波の所定波長をλ、電磁波の速度をv及び所定波長に対応する角周波数をωλとし、FDTD領域における格子点の数をλF、解析用速度をvFとし、角周波数ωλに対する誘電率の実部及び虚部の値をεr及びεiとし、角周波数ωλに対応するFDTD領域における解析用角周波数ωFを、
としたとき、衝突周波数νc,F及びプラズマ角周波数ωp,Fは、
として与えられることが好ましい。
Similarly, in the simulation program according to the present invention, the predetermined wavelength of the electromagnetic wave in the real space is λ, the velocity of the electromagnetic wave is v and the angular frequency corresponding to the predetermined wavelength is ω λ, and the number of lattice points in the FDTD region is λ F , The analysis speed is v F , the real part and imaginary part of the dielectric constant for the angular frequency ω λ are ε r and ε i, and the analysis angular frequency ω F in the FDTD region corresponding to the angular frequency ω λ is
Where the collision frequency ν c, F and the plasma angular frequency ω p, F are
Is preferably given as
この場合、νc、F及びωP,Fは、λF及びvFの関数となる。そのため、変数c1,F及びc2,Fが満たす条件と共に、vFが0.7より小さい値をとるように、λF及びvFを決定することができる。 In this case, ν c, F and ω P, F are functions of λ F and v F. Therefore, the conditions satisfied by the variable c 1, F and c 2, F, v F is to take less than 0.7 value, it is possible to determine the lambda F and v F.
本発明に係るシミュレーション方法において、上記解析工程では、電磁波におけるTEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に上記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用してコンピュータにより解くことが好適である。同様に、本発明に係るシミュレーションプログラムにおいて、上記解析工程では、電磁波におけるTEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に上記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用してコンピュータに解かさしめることが好適である。 In the simulation method according to the present invention, in the analysis step, for the TE mode in the electromagnetic wave, a first electromagnetic field analysis formula obtained by applying the inductive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation Is preferably solved by a computer using an inductive relational expression. Similarly, in the simulation program according to the present invention, in the analysis step, the first electromagnetic field analysis obtained by applying the inductive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation for the TE mode in the electromagnetic wave. It is preferable to solve the above formula by a computer using an inductive relational expression.
この場合、波動方程式を利用しているため計算量を低減することが可能である。 In this case, the calculation amount can be reduced because the wave equation is used.
また、本発明に係るシミュレーション方法における解析工程では、電磁波におけるTMモードに対しては、マクスウェル方程式に帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用して解く態様とすることもできる。同様に、本発明に係るシミュレーションプログラムにおける解析工程では、電磁波におけるTMモードに対しては、マクスウェル方程式に帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用してコンピュータに解かさしめる態様とすることもできる。 Further, in the analysis step in the simulation method according to the present invention, for the TM mode in the electromagnetic wave, a second electromagnetic field analysis equation obtained by applying the inductive convolution method to the Maxwell equation is expressed as an inductive relational equation. It is also possible to adopt a mode of solving using Similarly, in the analysis process in the simulation program according to the present invention, the second electromagnetic field analysis formula obtained by applying the recursive convolution method to the Maxwell equation for the TM mode in the electromagnetic wave is represented by an inductive relationship. It is also possible to use an equation that is solved by a computer.
更に、本発明に係るシミュレーション方法における上記解析工程では、電磁波がTMモード及びTEモードを共に含む場合には、TEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に上記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用して解き、TMモードに対しては、マクスウェル方程式に帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用して解き、TMモード及びTEモードに対して得られた電磁界に基づいてFDTD領域における電磁界を算出する態様とすることもできる。同様に、本発明に係るシミュレーションプログラムにおける上記解析工程では、電磁波がTMモード及びTEモードを共に含む場合には、TEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に上記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用してコンピュータに解かさしめて、TMモードに対しては、マクスウェル方程式に帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、帰納的関係式を利用してコンピュータに解かさしめて、TMモード及びTEモードに対して得られた電磁界に基づいてFDTD領域における電磁界を算出する態様とすることができる。 Further, in the analysis step in the simulation method according to the present invention, when the electromagnetic wave includes both the TM mode and the TE mode, the above-described recursive convolution method is applied to the wave equation derived from the Maxwell equation for the TE mode. The second electromagnetic field obtained by solving the first electromagnetic field analysis formula obtained using the recursive relational expression and applying the recursive convolution method to the Maxwell equation for the TM mode. The analysis formula may be solved using an inductive relational expression, and the electromagnetic field in the FDTD region may be calculated based on the electromagnetic fields obtained for the TM mode and the TE mode. Similarly, in the analysis step in the simulation program according to the present invention, when the electromagnetic wave includes both the TM mode and the TE mode, the inductive convolution method is applied to the wave equation derived from the Maxwell equation for the TE mode. The first equation for electromagnetic field analysis obtained by application is solved by a computer using an inductive relational expression, and for TM mode, it is obtained by applying an inductive convolution method to the Maxwell equation. A mode in which the second electromagnetic field analysis equation is solved by a computer using an inductive relational expression, and the electromagnetic field in the FDTD region is calculated based on the electromagnetic field obtained for the TM mode and the TE mode. It can be.
本発明によれば、FDTD法に従ってシミュレーションを安定して実施することができる。 According to the present invention, simulation can be stably performed according to the FDTD method.
以下、図面を参照して本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムの実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率等は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, embodiments of a simulation method and a simulation program according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios and the like in the drawings do not necessarily match those described.
本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムは、金属部材を含む構造物に電磁波が入射した場合における電磁界を、FDTD法(Finite Difference Time Domain Method)に従って解析するためのものであり、上記構造物の設計などに好適に利用される。本発明に係る方法及びプログラムを利用した解析対象としての構造物の一例としては金属回折格子が挙げられる。本明細書では、特に断らない限り、光学素子は金属回折格子として説明する。 A simulation method and a simulation program according to the present invention are for analyzing an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member according to an FDTD method (Finite Difference Time Domain Method). It is suitably used for design and the like. An example of a structure as an analysis target using the method and program according to the present invention is a metal diffraction grating. In this specification, unless otherwise specified, the optical element is described as a metal diffraction grating.
図1は、金属回折格子の模式図である。金属回折格子10は、一方向(図1では、紙面に垂直な方向)に延在している複数の金属部材としての金属細線(金属ストリップ)11が、金属細線11の延在方向に対して略直交する方向に周期Λで配置されてなる回折格子である。説明の簡略化のために、図1に示すように、金属細線11の配列方向をx軸方向とし、金属細線11の延在方向をz軸方向とし、x軸方向及びz軸方向に直交する方向をy軸方向とする。金属細線11の材料としては、銀、金、アルミニウムなどが例示される。
FIG. 1 is a schematic diagram of a metal diffraction grating. The
金属回折格子10の周期Λは、電磁波としての入射ビーム20が有する所定波長λに対して十分小さく、例えば、5λ以下である。金属回折格子10に入射ビーム20が入射すると、入射ビーム20は金属回折格子10により回折される。周期Λが所定波長λに対して十分小さい場合、金属回折格子10に入射ビーム20が入射すると、ほぼ0次の回折光が生じることになる。以下の説明では、図1に示したように、金属回折格子10に対して入射ビーム10の入射側と反対側に回折される光を透過ビーム21とも称し、入射ビーム20の入射側と同じ側に回折される光を反射ビーム22とも称す。なお、所定波長λは、電磁スペクトルにおける可視領域の波長であるとすることができる。
The period Λ of the
金属回折格子10の特性は、周期Λ並びに金属細線11の幅(x軸方向の長さ)w及び厚さ(y軸方向の長さ)hや、回折格子法線Nと入射ビーム20とのなす角である入射角θinや、入射ビーム20の偏光状態などに依存する。そのため、所望の回折格子特性を実現する金属回折格子10を設計するために本発明に係るシミュレーション方法及びプログラムが有効である。特に、金属回折格子10のx軸方向の幅Wが30λより小さい場合に本発明が有効である。これは、本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムが、その手法として、有限な大きさを持つ物体を扱うときに有効なFDTD法を採用していることによる。
The characteristics of the
図2は、図1に示した金属回折格子のFDTD領域における解析モデルの模式図である。FDTD法では、図2に示すように、FDTD領域100を複数のセルに分割することによって、マクスウェル方程式を空間的及び時間的に差分化して直接数値的に解く手法である。本実施形態では、図2に示すように、解析モデルとしての金属回折格子に対しても図1に示した金属回折格子10と同様の符号を付すこととする。また、図2中のハッチングは、セルで分割されたFDTD領域100内において金属細線11を示すための便宜的なものである。
FIG. 2 is a schematic diagram of an analysis model in the FDTD region of the metal diffraction grating shown in FIG. In the FDTD method, as shown in FIG. 2, the Maxwell equation is spatially and temporally differentiated and directly numerically solved by dividing the
通常、図1及び図2に示した金属回折格子10のように一方向(図1,2中ではz軸方向)に延在しており、その延在方向に変化のないものを解析対象とする場合、2次元問題として扱うことができる。そこで、2次元のFDTD法のアルゴリズムについて説明する。
Usually, the
FDTD法では、以下のマクスウェル方程式を利用する。
μは透磁率である。また、Eは電界、Hは磁界である。更に、「∇」は、xu及びyuをx軸方向及びy軸方向の単位ベクトルとしたとき、xu(∂/x)+yu(∂/y)で定義される微分演算子である。
In the FDTD method, the following Maxwell equations are used.
μ is the magnetic permeability. E is an electric field and H is a magnetic field. Furthermore, "∇" when the x u and y u and a unit vector in the x-axis and y-axis directions, is x u (∂ / x) + y u (∂ / y) differential operators defined by .
式(16)中のDは電束密度を表しており、次式で与えられる。
式(17)中のε(r,ω)は金属細線11の誘電率である。
D in the equation (16) represents the electric flux density and is given by the following equation.
In the equation (17), ε (r, ω) is the dielectric constant of the
時間領域における電束密度Dは、式(17)の両辺でフーリエ変換をとり、畳み込み定理を適用することによって次式で表される。
式(18)において、ε(t)=F{ε(ω)}であり、Fはフーリエ変換を表す。
The electric flux density D in the time domain is expressed by the following equation by performing Fourier transform on both sides of Equation (17) and applying the convolution theorem.
In Expression (18), ε (t) = F {ε (ω)}, and F represents a Fourier transform.
誘電率ε(ω)が角周波数ωのある特殊な関数で表されるとき、式(18)の畳み込み積分は帰納的に計算可能である。これはRC法として知られている。 When the dielectric constant ε (ω) is expressed by a special function having an angular frequency ω, the convolution integral of the equation (18) can be calculated recursively. This is known as the RC method.
本実施形態では、金属細線11の誘電率ε(ω)を表す関数として、ドルーデの一次近似式(ドルーデの分散式)を採用する。この場合、誘電率ε(ω)は式(19)のように表される。
式(19)において、ωpはプラズマ周波数、νcは衝突周波数である。ε∞は、周波数が無限大のときの誘電率であり1に等しい。χ(ω)は電気比感受率である。
In the present embodiment, a Drude primary approximation formula (Drude dispersion formula) is adopted as a function representing the dielectric constant ε (ω) of the
In Equation (19), ω p is the plasma frequency and ν c is the collision frequency. epsilon ∞ is equal to is 1 the dielectric constant when the frequency is infinite. χ (ω) is an electrical specific susceptibility.
χ(ω)をフーリエ変換したもの、すなわち、F{χ(ω)}をχ(t)と表した場合、χ(t)は次式で表される。
U(t)は、時間の単位ステップ関数であって、t=0の場合、U(t)=0であり、t>0の場合、U(t)=1である。
When χ (ω) is Fourier transformed, that is, F {χ (ω)} is expressed as χ (t), χ (t) is expressed by the following equation.
U (t) is a unit step function of time. When t = 0, U (t) = 0, and when t> 0, U (t) = 1.
Δtを時間ステップ間隔としたとき、時刻t=nΔt(nは0以上の整数)において、式(18)の畳み込み積分を評価した場合、
が得られる。より具体的には、式(21)は、区間[mΔt,(m+1)Δt]にわたってEを定数としてとることによって、畳み込み積分から得られる。なお、mは0以上の整数である。
When Δt is a time step interval, when the convolution integral of Expression (18) is evaluated at time t = nΔt (n is an integer of 0 or more),
Is obtained. More specifically, equation (21) is obtained from convolution integral by taking E as a constant over the interval [mΔt, (m + 1) Δt]. Note that m is an integer of 0 or more.
式(21)は、以下のように書き表すことができる。
ここで、Ψは、累積変数であり下記式(23)が成り立つ。
Here, Ψ is a cumulative variable, and the following formula (23) is established.
式(23)は、
と表すことができる。この式(24)において、
である。式(25)より、
が成立する。式(26)において、
である。また、Ψ0=0、Ψ1=E1χ0、Ψ2=E2χ0+c1E1+c2Ψ1とする。
Equation (23) is
It can be expressed as. In this equation (24),
It is. From equation (25)
Is established. In equation (26),
It is. Further, ψ 0 = 0, ψ 1 = E 1 χ 0 , and ψ 2 = E 2 χ 0 + c 1 E 1 + c 2 ψ 1 are set.
式(24)〜式(28)より、累積変数Ψに関する以下の帰納的関係式が得られる。
式(29)及び式(30)では、ε∞=1、Δt=1である。また、式(29)及び式(30)中、χ0は式(25)より、
で与えられる。更に、n≦0であるすべてのnについてΨの値は0とする。
From the expressions (24) to (28), the following inductive relational expression regarding the cumulative variable Ψ is obtained.
In the equations (29) and (30), ε ∞ = 1 and Δt = 1. Moreover, in Formula (29) and Formula (30), χ 0 is from Formula (25),
Given in. Furthermore, the value of Ψ is 0 for all n where n ≦ 0.
なお、後述するように、FDTD法を実施する際には、式(29)及び式(30)に含まれておりωp及びνcを用いて表されるc1,c2は、ωp及びνcに対応するFDTD領域100におけるプラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fの関数としてのc1,F及びc2,Fを採用する。
As will be described later, when the FDTD method is performed, c 1 and c 2 included in the equations (29) and (30) and expressed using ω p and ν c are ω p and adopting c 1, F and c 2, F as a function of the plasma angular frequency omega p, F and the collision frequency [nu c, F in the
通常、2次元においては、任意の偏光状態にある入射ビーム(電磁波)20は、2つの直交する偏光状態、すなわち、TMモードとTEモードとに分けることが可能である。そこで、以下、TMモードとTEモードとに分けてFDTD法のアルゴリズムについて説明する。 In general, in two dimensions, an incident beam (electromagnetic wave) 20 in an arbitrary polarization state can be divided into two orthogonal polarization states, that is, a TM mode and a TE mode. Therefore, the algorithm of the FDTD method will be described below separately for the TM mode and the TE mode.
[TMモード]
TMモードでは、式(15)及び式(16)を中心差分を利用して差分化して解く。
[TM mode]
In the TM mode, Equation (15) and Equation (16) are solved using the central difference.
式(16)中の時間に関する一次導関数の差分形式として式(32)を利用する。
この場合、式(16)に等価な差分形式の方程式は、以下のように表される。
式(33)中のD1は∇に対応する2次の中心差分形式の演算子である。また、式(33)中のΨn+1−Ψnは、式(29)により与えられる。
Equation (32) is used as the differential form of the first derivative with respect to time in Equation (16).
In this case, the differential equation equivalent to equation (16) is expressed as follows.
D 1 in the equation (33) is a second-order central difference form operator corresponding to ∇. In addition, Ψ n + 1 −Ψ n in Expression (33) is given by Expression (29).
ここでは、式(16)に等価な差分形式の方程式を示したが、式(15)に関しては、従来のFDTD法における差分形式である以下の式を用いる。
[TEモード]
次にTEモードの場合について説明する。
[TE mode]
Next, the case of the TE mode will be described.
TEモードではマクスウェル方程式である式(15)及び式(16)から導かれる次の波動方程式を利用する。
本実施形態では∇・E=0を仮定するが、高い伝導性を有する金属の場合、それらは自由電荷を長い間保持しないので、この仮定は妥当である。
In the TE mode, the following wave equation derived from the equations (15) and (16), which are Maxwell equations, is used.
In this embodiment, ∇ · E = 0 is assumed. However, in the case of metals having high conductivity, this assumption is valid because they do not retain free charge for a long time.
式(16)の時間に関する二次導関数の差分形式として式(36)を利用する。
この場合、帰納的畳み込みを適用した式(35)に等価な差分形式の方程式は、以下のように表される。
式(37)中のD1 2は∇2に対応する2次の中心差分形式の演算子であり、vは位相速度である。また、式(37)中のΨn+1+Ψn−1−2Ψnは式(30)から与えられる。
Equation (36) is used as the differential form of the second derivative with respect to time of Equation (16).
In this case, the differential equation equivalent to the equation (35) to which the recursive convolution is applied is expressed as follows.
D 1 2 in the formula (37) is an operator of second order central difference format corresponding to ∇ 2, v is the phase velocity. In addition, Ψ n + 1 + Ψ n−1 −2Ψ n in Expression (37) is given from Expression (30).
本実施形態では、入射ビーム20がTMモードで与えられる場合、すなわち、入射ビーム20がTM波である場合には、電磁界解析用の式(第2の電磁界解析用の式)である式(33)及び式(34)と、式(29)とを利用して電界E及び磁界Hを算出する。入射ビーム20がTEモードで与えられる場合、すなわち入射ビーム20がTE波である場合には、電磁界解析用の式(第1の電磁界解析用の式)である式(37)と、式(30)とを利用して電界Eを算出する。
In the present embodiment, when the
次に、本実施形態におけるFDTD領域における空間的な離散化条件の決定方法について説明する。 Next, a method for determining a spatial discretization condition in the FDTD region in the present embodiment will be described.
FDTD法では、図2に示したように、FDTD領域100に複数のセルからなるグリッドを適用する。本実施形態のシミュレーション法で解くFDTD法では、アルゴリズムの安定性に基づいてFDTD領域100の離散化条件を決定する。
In the FDTD method, a grid composed of a plurality of cells is applied to the
式(29)及び式(30)より、アルゴリズムの安定性のためにc1及びc2は次の条件を満たすことが必要である。
c1,c2は式(27)及び式(28)に示すようにωp及びνcを用いて表される。 c 1 and c 2 are expressed using ω p and ν c as shown in the equations (27) and (28).
一方、式(19)より、誘電率ε(ω)の実部及び虚部をεr(ω)及びεi(ω)とすると、
が成り立つ。
On the other hand, from the equation (19), when the real part and the imaginary part of the dielectric constant ε (ω) are ε r (ω) and ε i (ω),
Holds.
よって、ωp及びνcは次のように表される。
本実施形態では、入射ビーム20が有する所定波長λに対応する角周波数をωλとしたとき、式(40)及び式(41)内のεr(ω)及びεi(ω)として、角周波数ωλに対する実測値を採用する。
In the present embodiment, when the angular frequency corresponding to the predetermined wavelength λ of the
所定波長λに対して誘電率の実測値が得られていない場合には、ドルーデ分散を利用して実測されている誘電率の局所的なフィッティングから上記所定波長λに対する誘電率、すなわち、εr(ω)及びεi(ω)を得る。上記局所フィッティングは、所定波長λに最も近く誘電率が実測されている波長に対する誘電率の実測値を通るようにドルーデのε−ωプロットを実施することで得ることができる。 When the measured value of the dielectric constant is not obtained for the predetermined wavelength λ, the dielectric constant for the predetermined wavelength λ, that is, ε r is obtained from the local fitting of the measured dielectric constant using Drude dispersion. Obtain (ω) and ε i (ω). The local fitting can be obtained by performing Drude's ε-ω plot so as to pass the measured value of the dielectric constant for the wavelength whose dielectric constant is measured closest to the predetermined wavelength λ.
例えば、波長500nm(角周波数3.77×1015/sec)での誘電率の実測値が得られていない一方、波長496nm(又は角周波数3.8×1015/sec)と、波長551.111nm(角周波数3.42×1015/sec)に対してそれぞれ誘電率が得られているとする。この場合、波長500nmでの誘電率は、角周波数3.8×1015/secに対する誘電率ε=−9.564+i0.309をとおるドルーデのε−ωプロットから計算する(図3参照)。 For example, the measured value of the dielectric constant at a wavelength of 500 nm (angular frequency 3.77 × 10 15 / sec) is not obtained, while the wavelength 496 nm (or angular frequency 3.8 × 10 15 / sec) and the wavelength 551. It is assumed that dielectric constants are obtained for 111 nm (angular frequency 3.42 × 10 15 / sec), respectively. In this case, the dielectric constant at a wavelength of 500 nm is calculated from Drude's ε-ω plot with dielectric constant ε = −9.564 + i0.309 for an angular frequency of 3.8 × 10 15 / sec (see FIG. 3).
より正確な誘電率を得るために、所定波長λに対して高波長側及び短波長側においてそれぞれ所定波長λに最も近く誘電率が実測されている波長に対する誘電率を基に前述したドルーデのε−ωプロットを実施し、所定波長λの誘電率としてそれぞれ得られる2つの推定値の平均値を算出して推定値とすることが好ましい。金属回折格子に入射させる光として例えばLEDから出力された光等を利用される際には、多くの場合、LEDから出力される光の波長に対して誘電率が実測されていない場合があるため、上記のような算出方法は好ましい。なお、以下の説明では、実測値という場合には、上記ドルーデのε−ωプロットを実施して決まる値を含めるものとする。 In order to obtain a more accurate dielectric constant, Drude's ε described above based on the dielectric constant for the wavelength whose dielectric constant is closest to the predetermined wavelength λ on the high wavelength side and the short wavelength side with respect to the predetermined wavelength λ. It is preferable to perform an -ω plot and calculate an average value of two estimated values obtained as dielectric constants of the predetermined wavelength λ to obtain an estimated value. When using, for example, light output from an LED as light incident on a metal diffraction grating, in many cases, the dielectric constant may not be actually measured for the wavelength of light output from the LED. The calculation method as described above is preferable. In the following description, the actual measurement value includes a value determined by performing the Drude ε-ω plot.
また、本実施形態では、式(42)及び式(43)における角周波数ωをFDTD領域における角周波数ωFに置き換えて、プラズマ角周波数ωp及び衝突周波数νcをFDTD領域100におけるプラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fに対応させる。この場合、プラズマ角周波数ωp,F及び衝突周波数νc,Fは以下のように表される。
式(44)及び式(45)中のεr及びεiは角周波数ωλに対する実測値であり定数である。
Further, in the present embodiment, the angular frequency ω in the equations (42) and (43) is replaced with the angular frequency ω F in the FDTD region, and the plasma angular frequency ω p and the collision frequency ν c are plasma angular frequencies in the
In the equations (44) and (45), ε r and ε i are measured values for the angular frequency ω λ and are constants.
そして、本実施形態では、実空間での角周波数ωλと、式(44)及び式(45)中のFDTD領域100での角周波数(解析用角周波数)ωFとを次式によって対応づけることによって、ωp,F及びνc,Fを自由パラメータとしている。
式(46)中のvは入射ビーム20の実空間での位相速度である。そして、λFは、FDTD領域100において波長λを表すのに必要とする格子点110の数であり、vFはFDTD領域100における入射ビーム20の位相速度(解析用速度)である。
In the present embodiment, the angular frequency ω λ in the real space is associated with the angular frequency (angular frequency for analysis) ω F in the
In Expression (46), v is the phase velocity of the
上記のように実空間におけるωp及びνcに対応してFDTD領域100におけるωp,F及びνc,Fを規定した場合、式(38),式(39)に示す安定化条件は、
と表されることになる。
When ω p, F and ν c, F in the
Will be expressed.
なお、c1,F及びc2,Fは、c1,c2におけるωp及びνcをωp,F及びνc,Fで置き換えたものであり、以下の式で表される。
また、アルゴリズムの安定性として、式(49)及び式(50)と共に、FDTD法で通常知られている以下の関係式を満たす必要がある。
Further, as the stability of the algorithm, it is necessary to satisfy the following relational expression normally known by the FDTD method together with the expressions (49) and (50).
前述したようにεr及びεiとして角周波数ωλに対する所定の値を利用すると共に、式(46)を採用することによって、ωP,F及びνc,Fを自由パラメータとした場合、式(49)及び式(50)並びに式(51)を満たすようにλF及びvFを決定する。λFは、所定波長λを表すための格子点110の数であるため、空間的離散化条件が決定されることになる。
As described above, when a predetermined value for the angular frequency ω λ is used as ε r and ε i and ω P, F and ν c, F are set as free parameters by using the equation (46), the equation (49) and to determine the lambda F and v F so as to satisfy the equation (50) and equation (51). Since λ F is the number of
次に、上記アルゴリズムを実施するための解析装置、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラムについて説明する。 Next, an analysis apparatus, a simulation method, and a simulation program for executing the above algorithm will be described.
図4は、本発明に係るシミュレーション方法の一例を実施するための解析装置のブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram of an analysis apparatus for carrying out an example of the simulation method according to the present invention.
図4に示した解析装置30は、例えばパーソナルコンピュータ装置やワークステーション等のコンピュータ装置であり、主な構成要素として、入力手段31、メモリ32、中央処理装置33及び出力手段34を備えている。
The
入力手段31は、キーボードなどであり、シミュレーションを実施するためのパラメータを含む入力データを受け付ける。上記パラメータとしては、入射ビーム20の波長λとそれに対応する角周波数ωλを含む入射ビーム20に関する諸条件、角周波数ωλに対するεr及びεiの実測値、金属細線11の条件及び境界条件、及び、シミュレーションでの最大時刻tmax(tmax=nΔt)等である。金属細線11の諸条件としては、金属細線11の幅w及び厚さh並びに周期Λである。また、入射ビーム20に関する条件としては上記の他に、入射ビーム20の偏光状態(例えばTEモード又はTMモード等)、入射ビーム20の金属回折格子10への入射角θin(金属回折格子法線Nと入射ビーム20との為す角)等である。
The input means 31 is a keyboard or the like, and accepts input data including parameters for performing a simulation. The above parameters include various conditions regarding the
メモリ32は、解析装置30を動作させるための種々のプログラムや、入力手段31からの入力データや、後述するシミュレーション方法に沿ってFDTD解析を実施するためのFDTDプログラム(シミュレーションプログラム)40及びFDTDプログラム40を実施中又は実施後の計算結果を記憶する。FDTDプログラム40は、式(44)〜式(51)に基づいて空間離散化条件、すなわち、λFを決定せしめる離散化条件決定モジュール41と、TMモード及びTEモードに分けて説明したアルゴリズムに基づいてFDTD法を実行するための解析モジュール42とを含んで構成されている。
The
中央処理装置33は、メモリ32に記憶されているFDTDプログラム40を読み込み、シミュレーションのための種々の演算を実行する。また、中央処理装置33は、メモリ32に記憶されている各種プログラムを読み込み、解析装置30の構成要素を制御する機能も有する。
The
出力手段34は、例えばディスプレイなどであり、中央処理装置33で算出されて得られるシミュレーション結果を表示する。
The
次に、FDTD法に従ったシミュレーション方法について説明する。図5は、シミュレーション方法を示すフローチャートである。シミュレーションは、解析装置30のメモリ32に格納されているFDTDプログラム40を中央処理装置33が読み込み実行することで実施される。
Next, a simulation method according to the FDTD method will be described. FIG. 5 is a flowchart showing a simulation method. The simulation is performed by the
図5に示すように、ステップS10で操作者が入力手段31を介してシミュレーション用のパラメータを入力する(入力工程)。入力手段31がパラメータを受け付けると、メモリ32がそのパラメータを記憶する。
As shown in FIG. 5, in step S10, the operator inputs simulation parameters via the input means 31 (input process). When the input means 31 receives a parameter, the
次に、ステップS20において、離散化条件を決定する(離散化条件決定工程)。この離散化条件決定工程では、中央処理装置33が、ステップS10で入力されたεr及びεiの値並びに式(44)〜式(51)を利用して、式(47),式(48)及び式(51)を満たすλF及びvFを決定する。この際、式(47),式(48)及び式(51)を満たすλF及びνFが複数ある場合には、例えば、中央処理装置33がそれらを比較してλFが最小となる場合を選択するようにすることが好ましい。これにより、少ない格子点110の数で安定したシミュレーションが可能となるからである。
Next, in step S20, the discretization condition is determined (discretization condition determination step). In this discretization condition determination step, the
続くステップS30では、ステップS20で決定された空間的な離散化条件で規定されるFDTD領域100に、ステップS10で入力された諸条件を満たす金属回折格子10を設定し、FDTD領域100における電磁界を時間ステップ間隔Δt毎に算出する(解析工程)。この解析工程(ステップS30)においては、ステップS10で入力された境界条件を必要に応じて使用する。本実施形態では、Δt=1である。
In subsequent step S30, the
TEモードとTMモードとで使用するアルゴリズムが異なるため、ステップS30では、(i)入射ビーム20がTEモードとして与えられている場合、(ii)入射ビーム20がTMモードとして与えられている場合、に分けて解析を実施する。
Since algorithms used in the TE mode and the TM mode are different, in step S30, (i) when the
図6は、図5の解析処理のフローチャートである。解析処理では、先ず、ステップS31において、入射ビーム20の偏光状態を判定する。以下、ステップS10において入射ビーム20がTEモードで与えられている場合及び入射ビーム20がTMモードで与えられている場合について説明する。
FIG. 6 is a flowchart of the analysis process of FIG. In the analysis process, first, in step S31, the polarization state of the
(i)入射ビーム20がTEモードで与えられている場合、ステップS32Aにおいて、セルの電磁界を初期化する。具体的には、各セルにおける電界E及び磁界Hの各軸方向の成分を0とする。
(I) If the
続いてステップS33Aに進み、式(37)及び式(30)を利用して電界Eを算出し、電界Eをアップデートすると共に、時刻tをアップデートする。なお、式(30)におけるc1,c2の値としては、ステップS20で決定されたλF及びvFにより規定されるc1,F及びc2,Fの値を採用すればよい。 Then, it progresses to step S33A, calculates the electric field E using Formula (37) and Formula (30), updates the electric field E, and updates the time t. As the value of c 1, c 2 in equation (30), may be employed values of c 1, F and c 2, F defined by lambda F and v F determined in step S20.
ステップS33Aで全てのセルにおける電界Eを算出すると、ステップS34Aに進み、アップデートされた時刻tが最大時刻tmaxであるか否かを判定する。時刻tが最大時刻tmaxより小さい場合(ステップS34AでY)には、ステップS33Aに戻る。 When the electric fields E in all cells are calculated in step S33A, the process proceeds to step S34A, and it is determined whether or not the updated time t is the maximum time tmax . If the time t is smaller than the maximum time tmax (Y in step S34A), the process returns to step S33A.
次に、(ii)入射ビーム20がTMモードで与えられている場合について説明する。この場合、ステップS32Bにおいて、セルを初期化する。具体的には、各セルにおける電界E及び磁界Hの各軸方向の成分を0とする。次いで、ステップS33Bに進み、式(33)及び式(34)並びに式(29)を利用して各セルの電界E及び磁界Hを算出し、電界E及び磁界Hをアップデートすると共に、時刻tをアップデートする。式(29)におけるc1,c2の値に対しては、TEモードの場合と同様である。
Next, (ii) the case where the
ステップS33Bで全てのセルにおける電界E及び磁界Hを算出すると、ステップS34Bに進み、アップデートされた時刻tが最大時刻tmaxであるか否かを判定する。時刻tが最大時刻tmaxより小さい場合(ステップS34Bで「Y」の場合)には、ステップS33Bに戻る。なお、図6中では、TEモード及びTMモードに分けて説明するために、時刻tと最大時刻tmaxとの大小関係の判定ステップを2つに分けて説明しているが、ステップS34A及びステップS34Bは実質的に同じステップである。 When the electric field E and the magnetic field H in all the cells are calculated in step S33B, the process proceeds to step S34B, and it is determined whether or not the updated time t is the maximum time tmax . If the time t is smaller than the maximum time t max (“Y” in step S34B), the process returns to step S33B. In FIG. 6, in order to explain separately for the TE mode and the TM mode, the determination step of the magnitude relationship between the time t and the maximum time t max is divided into two, but step S34A and step S34B is substantially the same step.
ステップS34A又はステップS34Bにおいて、時刻tが最大時刻tmax以上である場合(ステップS34A,S34Bで「N」の場合)には、図5に記載のステップS40に進み、解析結果を出力手段34により出力する(出力工程)。 In step S34A or step S34B, when the time t is equal to or greater than the maximum time t max (in the case of “N” in steps S34A and S34B), the process proceeds to step S40 shown in FIG. Output (output process).
また、本実施形態におけるFDTD法の実施では、上述した各式を使用する点以外は、従来のFDTD法のシミュレーション方法と同様であることから詳細な説明は省略している。また、金属細線11以外の部分のセルに関しては、通常の空気中又は真空中を伝搬する電磁波に対するマクスウェル方程式又は波動方程式を扱う場合のFDTD法と同様に、TEモードに関しては下記式(52)を利用し、TMモードに関しては式(53)及び下記式(54)を利用すればよい。
式(52)及び式(53)中において、a=(σdΔt)/(2εd)であり、σd及びεdは隣接する金属細線11間の媒質の電導度及び誘電率である。また、μは隣接する金属細線11間の媒質の透磁率である。
The implementation of the FDTD method in the present embodiment is the same as the simulation method of the conventional FDTD method except that the above-described equations are used, and thus detailed description thereof is omitted. As for the cells other than the
In the equations (52) and (53), a = (σ d Δt) / (2ε d ), and σ d and ε d are the electric conductivity and dielectric constant of the medium between the adjacent metal
以上説明した本実施形態のシミュレーション法及びFDTDプログラムでは、解析対象としての金属回折格子10が有する金属細線11の誘電率に対してドルーデの分散式を適用してアルゴリズムを定式化している。また、金属細線11の誘電率に対して実測値を採用することでFDTD領域100の空間的な離散化を図っている。そして、空間離散化を図ることでアルゴリズムの安定性も保証している。その結果、金属回折格子10に入射ビーム20が入射した場合の電磁界を、より正確に安定してシミュレーションすることが可能である。
In the simulation method and the FDTD program of the present embodiment described above, the algorithm is formulated by applying the Drude dispersion formula to the dielectric constant of the
また、TEモードに対するシミュレーションでは、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式を利用していることから、シミュレーションのアルゴリズムを簡略化することができている。その結果、シミュレーションに要する時間の短縮化も図られている。更に、本実施形態のシミュレーション方法及びFDTDプログラムでは、RC法を採用しているため、メモリ32に蓄えるべきデータ量を低減することが可能となっている。
Further, in the simulation for the TE mode, the wave equation derived from the Maxwell equation is used, so that the simulation algorithm can be simplified. As a result, the time required for simulation is shortened. Furthermore, since the simulation method and the FDTD program of the present embodiment employ the RC method, the amount of data to be stored in the
次に、本実施形態で説明したシミュレーション方法及びFDTDプログラムを用いた金属回折格子10のシミュレーション結果について説明する。ここでは、実施例1及び実施例2として2つの金属回折格子10についてそれぞれシミュレーションを実施した。
Next, simulation results of the
実施例1のシミュレーションの条件は以下のとおりである。
・金属細線11の材料:銀
・金属回折格子10の周期Λ:176.125nm
・金属回折格子10のフィルファクタ(w/Λ):0.5
・金属細線11の厚さh:100nm
・入射ビーム20の波長λ:704.5nm(角周波数ωλ:2.676×1015/sec)
・入射ビーム20の位相速度v:3×108m/sec
・角周波数ωλに対するεrの値:−23.405
・角周波数ωλに対するεiの値:0.387
The simulation conditions of Example 1 are as follows.
-Material of the fine metal wire 11: Period of the silver-
Fill factor (w / Λ) of metal diffraction grating 10: 0.5
-Thickness h of the fine metal wire 11: 100 nm
The wavelength λ of the incident beam 20: 704.5 nm (angular frequency ω λ : 2.676 × 10 15 / sec)
-Phase velocity v of incident beam 20: 3 × 10 8 m / sec
- angular value of the frequency ω λ for ε r: -23.405
The value of ε i for the angular frequency ω λ : 0.387
実施例2のシミュレーションの条件は以下のとおりである。
・金属細線11の材料:銀
・金属回折格子10の周期Λ:496nm
・金属回折格子10のフィルファクタ(w/Λ):0.5
・金属細線11の厚さh:496nm
・入射ビーム20の波長λ:496nm(角周波数ωλ:3.8×1015/sec)
入射ビーム20の位相速度v:3×108m/sec
・角周波数ωλに対するεrの値:−9.564
・角周波数ωλに対するεiの値:0.309
The simulation conditions of Example 2 are as follows.
-Material of the fine metal wire 11: Period of the silver-
Fill factor (w / Λ) of metal diffraction grating 10: 0.5
・ Thickness h of the fine metal wire 11: 496 nm
The wavelength λ of the incident beam 20: 496 nm (angular frequency ω λ : 3.8 × 10 15 / sec)
Phase velocity v of incident beam 20: 3 × 10 8 m / sec
The value of ε r with respect to the angular frequency ω λ : −9.564
The value of ε i with respect to the angular frequency ω λ : 0.309
実施例1,2では、入射ビーム20をTEモード及びTMモードとしてそれぞれ与えた場合に、入射角θinを変えながら図5,6に示したフローチャートに基づいてシミュレーションを実施した。なお、実施例1,2では、金属回折格子10の大きさはx軸方向に無限であることを仮定している。
In Examples 1 and 2, simulation was performed based on the flowcharts shown in FIGS. 5 and 6 while changing the incident angle θ in when the
実施例1の条件の場合、ステップS20において、λが704.5nmであり、εrが−23.405であり、εiが0.387であるとき、λFは35.227であり、νFは0.538であった。この場合、c1,Fは0.225であり、c2,Fは1.002である。また、実施例2の条件の場合、ステップS20において、λが496nmであり、εrが−9.564であり、εiが0.309であるとき、λFは35.227であり、νFは0.538であった。この場合、c1,Fは0.098であり、c2,Fは1.003である。 In the case of the conditions of Example 1, in step S20, when λ is 704.5 nm, ε r is −23.405, and ε i is 0.387, λ F is 35.227, and ν F was 0.538. In this case, c1 , F is 0.225, and c2 , F is 1.002. In the case of the condition of the second embodiment, in step S20, when λ is 496 nm, ε r is −9.564, ε i is 0.309, λ F is 35.227, and ν F was 0.538. In this case, c1 , F is 0.098, and c2 , F is 1.003.
図7は、実施例1の場合のシミュレーション結果に基づいた透過スペクトル及び反射スペクトルを示している。図7の横軸は入射角θin(°)を示し、縦軸は透過率(%)及び反射率(%)を示している。透過率及び反射率は、入射ビーム20の光強度に対する透過ビーム及び反射ビームの光強度の比として定義している。図8は実施例2のシミュレーション結果に基づいた透過スペクトル及び反射スペクトルを示している。図8の横軸及び縦軸は図7の場合と同様である。なお、図7及び図8のシミュレーション結果は、銀から構成される無限の大きさの金属回折格子10におけるファーフィールドでの透過率及び反射率に基づいている。ファーフィルでの結果は、FDTD法を実行して得られる複素電磁界を金属回折格子10の周囲を囲む閉曲線に沿って統合することによって計算される。
FIG. 7 shows a transmission spectrum and a reflection spectrum based on the simulation result in the case of the first embodiment. The horizontal axis of FIG. 7 indicates the incident angle θ in (°), and the vertical axis indicates the transmittance (%) and the reflectance (%). The transmittance and the reflectance are defined as the ratio of the light intensity of the transmitted beam and the reflected beam to the light intensity of the
図7及び図8に示すように、上記シミュレーションにより、TEモード及びTMモードに対して透過特性及び反射特性を得ることができる。そして、上記シミュレーションにより、金属回折格子10の構成の違いによる特性の違いが現れていることがわかる。例えば、図7に示すように、上記シミュレーションにより、実施例1の金属回折格子10では、TEモードの多くは反射しており、透過が抑制されている。また、実施例1の金属回折格子10では、TMモードの多くが透過させることができている一方、その一部を反射させることが可能となっている。このように金属回折格子10の構成では偏光分離ができていることがわかる。また、図8に示すように、実施例2の金属回折格子10では、TMモード及びTEモードが共に透過可能であるが、TEモードの方がより多く透過させることができており、TMモードの透過率を入射角θinが0〜60°で10%〜40%に抑制できていることがわかる。
As shown in FIGS. 7 and 8, the transmission characteristics and the reflection characteristics can be obtained for the TE mode and the TM mode by the simulation. From the above simulation, it can be seen that a difference in characteristics due to a difference in the configuration of the
よって、上記シミュレーション方法及びFDTDプログラムを利用すれば、金属回折格子10に関するパラメータを変更することで、所望の透過特性及び反射特性を備えた金属回折格子10を設計可能であることになる。
Therefore, if the simulation method and the FDTD program are used, the
図9は、図1に示した金属回折格子が適用された導光板ユニットの構成を模式的に示す側面図である。導光板ユニット50は、略直方体形状の導光板51と導光板51の表面51a上に金属回折格子10が設けられて構成されている。導光板ユニット50は、導光板51の側面51bの側方に光源(不図示)が配置されることで面光源装置として利用することができる。
FIG. 9 is a side view schematically showing a configuration of a light guide plate unit to which the metal diffraction grating shown in FIG. 1 is applied. The light
光源から出力され側面51bから導光板51内に入射された光(ビーム)は、導光板51内を側面51c側に向けて伝搬する。この導光板51内を伝搬する光が金属回折格子10に入射すると、金属回折格子10の回折により、入射された光の一部は導光板ユニット50から出射され、他の部分は主に導光板51内に戻される。
Light (beam) output from the light source and incident into the
このように金属回折格子10を導光板ユニット50の一部として利用する場合には、金属回折格子10が偏光分離素子として設計されていることが好ましい。具体的には、所定の偏光成分(例えば、P偏光成分としてのTMモード)が選択的に透過され、他の光が反射されて導光板51内に戻されるように、金属回折格子10が設計されていることが好ましい。この場合、導光板ユニット50からは所定の偏光成分が支配的なビーム(透過ビーム21)が出射されることになるので、導光板ユニット50からの出射ビームを、例えば液晶表示装置におけるバックライトとして好適に使用することができる。そして、このようなバックライトを使用する液晶表示装置では、不要偏光を除去する光学素子が不要となるため、小型化や薄型化を図ることが可能である。
As described above, when the
そして、上述したような特性を有する金属回折格子10を設計するために、前述したシミュレーション方法及びFDTDプログラムが有効である。金属回折格子10を、例えば液晶表示装置が有する面光源装置で使用する場合には、所定波長λは、可視領域の波長として、シミュレーションを実施すればよい。
In order to design the
金属回折格子10を導光板51上に設ける際には、図1及び図2に示したように、金属回折格子10のみを解析対象としてシミュレーションを実施してもよいが、例えば、図9に示したように、板状の導光板51を含む導光板ユニット50を解析対象としても良い。
When the
この場合、導光板51に対応するセルでは、FDTD法のアルゴリズムとして以下の式を利用すればよい。すなわち、TEモードの場合には式(55)を利用し、TMモードの場合には、式(56)及び式(57)を利用すればよい。
式(55)及び式(56)中においては、a=(σdΔt)/(2εd)であり、σd及びεdは導光板51の電導度及び誘電率である。また、μは導光板51の透磁率である。
In this case, in the cell corresponding to the
In the equations (55) and (56), a = (σ d Δt) / (2ε d ), and σ d and ε d are the conductivity and dielectric constant of the
また、上記実施形態では、入射ビーム20は、TEモード又はTMモードとして与えられるとしたが、例えば、TEモード及びTMモードを含む非偏光状態の入射ビーム20を与えても良い。この場合には、解析工程(ステップS30)において、入射ビーム20中のTEモードに対しては、ステップS33Aで説明した場合と同様にして電界Eを算出し、入射ビーム20中のTMモードに対しては、ステップS33Bで説明した場合と同様にして電界E及び磁界Hを算出し、それらを組み合わせて各セルの電界E及び磁界Hとすればよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
TMモード及びTEモードに対して算出した電界E及び磁界Hの組み合わせ方としては、各セルに対して算出した電界E及び磁界Hそれぞれの加重平均をとることができる。例えば、一つのセルに対応して、TMモードに対して算出した電界をETMとし、TEモードに対して算出した電界をETEとしたとき、そのセルにおける電界を(ETM+ETE)/2とすることができる。磁界についても同様である。なお、このように加重平均をとる場合には、例えば、入射ビーム20をTEモード及びTMモードからなる光であると仮定して算出した電界E及ぶ磁界Hについてそれぞれ前述のように加重平均を算出することで、非偏光状態の入射ビーム20が入射した場合の電界E及び磁界Hとすることもできる。
As a method of combining the electric field E and the magnetic field H calculated for the TM mode and the TE mode, a weighted average of each of the electric field E and the magnetic field H calculated for each cell can be taken. For example, when the electric field calculated for the TM mode is E TM and the electric field calculated for the TE mode is E TE corresponding to one cell, the electric field in that cell is (E TM + E TE ) / 2 can be used. The same applies to the magnetic field. When taking the weighted average in this way, for example, the weighted average is calculated as described above for the electric field E and the magnetic field H calculated on the assumption that the
また、金属回折格子10は、図9を利用して説明したように導光板ユニット50に利用することができるが、例えば、光学系内の所定の位置に配置される偏光分離素子として利用することもできる。この場合、例えば、TEモード及びTMモードを完全分離するように金属回折格子10を設計することが考えられる。
The
また、本発明に係るシミュレーションプログラムは、例えば、TEモード及びTMモードの何れにも対応可能なプログラムとして説明したが、TEモードに対するプログラム及びTMモードに対するプログラムすることもできる。そして、シミュレーション方法における解析工程(ステップS30)では、図6に示したステップS32における判定工程を省略して、図6に示したTEモード及びTMモードの各工程に沿ってシミュレーションを実施することも可能である。更に、上記実施形態では、2次元のFDTD法について説明したが、3次元のFDTD法に拡張することもできる。更に、上記実施形態では金属部材を含む構造物として金属回折格子10を例示して説明したが、上記構造物は金属回折格子に限定されず、本発明に係るシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムは、金属部材を含む任意の構造物に対して適用することができる。
Moreover, although the simulation program according to the present invention has been described as a program that can handle both the TE mode and the TM mode, for example, the program for the TE mode and the program for the TM mode can also be performed. In the analysis step (step S30) in the simulation method, the determination step in step S32 shown in FIG. 6 may be omitted, and the simulation may be performed along the TE mode and TM mode steps shown in FIG. Is possible. Furthermore, although the two-dimensional FDTD method has been described in the above embodiment, the method can be extended to the three-dimensional FDTD method. Furthermore, although the
10…金属回折格子(構造物)、11…金属細線(金属部材)、20…入射ビーム(電磁波)、100…FDTD領域、110…格子点。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記構造物の解析モデルが配置されるFDTD領域の空間離散化条件を、前記金属部材の誘電率を基にコンピュータにより決定する離散化条件決定工程と、
前記離散化条件決定工程で決定された前記空間離散化条件に基づいて、前記解析モデルに前記電磁波が入射した場合の電磁界を、帰納的畳み込み法を用いた前記FDTD法に従って前記コンピュータにより算出する解析工程と、
を備え、
前記離散化条件決定工程では、前記帰納的畳み込み法において前記誘電率をドルーデの分散式で表すことで得られる帰納的関係式内の2つの変数c1,F,c2,Fであって、前記FDTD領域において前記電磁波が有する所定波長を表すための格子点の数及び前記FDTD領域における前記電磁波の解析用速度並びに前記金属部材の前記誘電率を含むプラズマ角周波数ωp、F及び衝突周波数νc,Fを用いて下記式(1),(2)で表される前記変数c1,F,c2,F:
において、
前記プラズマ角周波数ωp,F及び前記衝突周波数νc,Fに含まれる前記誘電率を、前記所定波長の前記電磁波に対する実測値又は実測値に基づいて決まる値とした場合に、前記変数c1,F,c2,Fが、前記FDTD法における安定化条件に含まれる下記式(3)及び式(4)を満たすと共に、
前記解析用速度が0.7より小さくなるように、前記格子点の数及び前記解析用速度を、前記コンピュータによって決定することを特徴とするシミュレーション方法。 A simulation method for analyzing an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member according to the FDTD method,
A discretization condition determining step of determining a spatial discretization condition of the FDTD region in which the analysis model of the structure is arranged by a computer based on a dielectric constant of the metal member;
Based on the spatial discretization condition determined in the discretization condition determination step, an electromagnetic field when the electromagnetic wave is incident on the analysis model is calculated by the computer according to the FDTD method using an inductive convolution method. Analysis process,
With
In the discretization condition determination step, two variables c 1, F 2, c 2, F in an inductive relational expression obtained by expressing the dielectric constant by a Drude dispersion formula in the inductive convolution method, Plasma angular frequencies ωp , F and collision frequency ν including the number of lattice points for representing the predetermined wavelength of the electromagnetic wave in the FDTD region, the speed for analyzing the electromagnetic wave in the FDTD region, and the dielectric constant of the metal member The variables c 1, F , c 2, F represented by the following formulas (1) and (2) using c and F :
In
When the dielectric constant included in the plasma angular frequency ω p, F and the collision frequency ν c, F is an actual value for the electromagnetic wave having the predetermined wavelength or a value determined based on the actual value, the variable c 1 , F 1 , c 2 and F satisfy the following formulas (3) and (4) included in the stabilization conditions in the FDTD method,
The simulation method, wherein the number of grid points and the analysis speed are determined by the computer so that the analysis speed is less than 0.7.
としたとき、前記衝突周波数νc,F及び前記プラズマ角周波数ωp、Fは、
として与えられることを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション方法。 In the real space, the predetermined wavelength is λ, the electromagnetic wave velocity is v, the angular frequency corresponding to the predetermined wavelength is ω λ , the number of lattice points in the FDTD region is λ F , and the analysis speed is v F. The values of the real part and the imaginary part of the dielectric constant with respect to the angular frequency ω λ are ε r and ε i , and the angular frequency for analysis ω F in the FDTD region corresponding to the angular frequency ω λ is
Where the collision frequency ν c, F and the plasma angular frequency ω p, F are
The simulation method according to claim 1, wherein the simulation method is given as:
前記電磁波におけるTEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータにより解くことを特徴とする請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。 In the analysis step,
For the TE mode in the electromagnetic wave, the first electromagnetic field analysis formula obtained by applying the recursive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation is obtained using the recursive relational expression. The simulation method according to claim 1, wherein the simulation method is solved by a computer.
前記電磁波におけるTMモードに対しては、マクスウェル方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータにより解くことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のシミュレーション方法。 In the analysis step,
For the TM mode in the electromagnetic wave, the second electromagnetic field analysis formula obtained by applying the recursive convolution method to the Maxwell equation is solved by the computer using the recursive relational expression. The simulation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the simulation method is characterized.
前記電磁波がTMモード及びTEモードを共に含む場合には、前記TEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して解き、前記TMモードに対しては、マクスウェル方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して解き、前記TMモード及び前記TEモードに対して得られた電磁界に基づいて前記FDTD領域における電磁界を算出する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。 In the analysis step,
When the electromagnetic wave includes both the TM mode and the TE mode, the first electromagnetic field analysis for the TE mode is obtained by applying the recursive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation. An equation is solved using the recursive relational expression, and for the TM mode, a second electromagnetic field analysis equation obtained by applying the recursive convolution method to the Maxwell equation is expressed as the recursive equation. 3. The simulation according to claim 1, wherein an electromagnetic field in the FDTD region is calculated based on an electromagnetic field obtained by solving using a relational expression and obtained for the TM mode and the TE mode. Method.
前記構造物の解析モデルが配置されるFDTD領域の空間離散化条件を、前記金属部材の誘電率を基にコンピュータにより決定する離散化条件決定工程と、
前記離散化条件決定工程で決定された前記空間離散化条件に基づいて、前記解析モデルに前記電磁波が入射した場合の電磁界を、帰納的畳み込み法を用いた前記FDTD法に従って前記コンピュータにより算出する解析工程と、
を前記コンピュータに実行させ、
前記離散化条件決定工程では、前記帰納的畳み込み法において前記誘電率をドルーデの分散式で表すことで得られる帰納的関係式内の2つの変数c1,F,c2,Fであって、前記FDTD領域において前記電磁波の所定波長を表すための格子点の数及び前記FDTD領域における前記電磁波の解析用速度並びに前記金属部材の前記誘電率を含むプラズマ角周波数ωp及び衝突周波数νc, Fを用いて下記式(8),(9)で表される前記変数c1,F,c2,F:
において、
前記プラズマ角周波数ωp,F及び前記衝突周波数νc,Fに含まれる前記誘電率を、前記所定波長の前記電磁波に対する実測値又は実測値に基づいて決まる値とした場合に、前記変数c1,F,c2,Fが、前記FDTD法における安定化条件に含まれる下記式(10)及び式(11)を満たすと共に、
前記解析用速度が0.7より小さくなるように、前記格子点の数及び前記解析用速度を、前記コンピュータに決定せしめることを特徴とするシミュレーションプログラム。 A simulation program for causing a computer to execute a simulation for analyzing an electromagnetic field when electromagnetic waves are incident on a structure including a metal member according to the FDTD method,
A discretization condition determining step of determining a spatial discretization condition of the FDTD region in which the analysis model of the structure is arranged by a computer based on a dielectric constant of the metal member;
Based on the spatial discretization condition determined in the discretization condition determination step, an electromagnetic field when the electromagnetic wave is incident on the analysis model is calculated by the computer according to the FDTD method using an inductive convolution method. Analysis process,
To the computer,
In the discretization condition determination step, two variables c 1, F 2, c 2, F in an inductive relational expression obtained by expressing the dielectric constant by a Drude dispersion formula in the inductive convolution method, The number of lattice points for representing the predetermined wavelength of the electromagnetic wave in the FDTD region, the analysis speed of the electromagnetic wave in the FDTD region, and the plasma angular frequency ω p and the collision frequency ν c, F including the dielectric constant of the metal member The variables c 1, F , c 2, F represented by the following formulas (8) and (9) are used:
In
When the dielectric constant included in the plasma angular frequency ω p, F and the collision frequency ν c, F is an actual value for the electromagnetic wave having the predetermined wavelength or a value determined based on the actual value, the variable c 1 , F 1 , c 2 and F satisfy the following formulas (10) and (11) included in the stabilization conditions in the FDTD method,
A simulation program that causes the computer to determine the number of grid points and the analysis speed so that the analysis speed is less than 0.7.
としたとき、前記衝突周波数νc,F及び前記プラズマ角周波数ωp,Fは、
として与えられることを特徴とする請求項6に記載のシミュレーションプログラム。 The predetermined wavelength of the electromagnetic wave in the real space is λ, the speed of the electromagnetic wave is v, the angular frequency corresponding to the predetermined wavelength is ω λ , the number of lattice points in the FDTD region is λ F , and the analysis speed is v F, and real and imaginary values of the permittivity for the angular frequency ω λ are ε r and ε i, and the analysis angular frequency ω F in the FDTD region corresponding to the angular frequency ω λ is
Where the collision frequency ν c, F and the plasma angular frequency ω p, F are
The simulation program according to claim 6, which is given as:
前記電磁波におけるTEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータに解かさしめることを特徴とする請求項6又は7に記載のシミュレーションプログラム。 In the analysis step,
For the TE mode in the electromagnetic wave, the first electromagnetic field analysis formula obtained by applying the recursive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation is obtained using the recursive relational expression. The simulation program according to claim 6, wherein the simulation program is solved by a computer.
前記電磁波におけるTMモードに対しては、マクスウェル方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータに解かさしめることを特徴とする請求項6〜8の何れか一項に記載のシミュレーションプログラム。 In the analysis step,
For the TM mode in the electromagnetic wave, the second equation for electromagnetic field analysis obtained by applying the recursive convolution method to the Maxwell equation is solved by the computer using the recursive relational expression. The simulation program according to any one of claims 6 to 8, wherein:
前記電磁波がTMモード及びTEモードを共に含む場合には、前記TEモードに対しては、マクスウェル方程式から導かれる波動方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第1の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータに解かさしめて、前記TMモードに対しては、マクスウェル方程式に前記帰納的畳み込み法を適用して得られる第2の電磁界解析用の式を、前記帰納的関係式を利用して前記コンピュータに解かさしめて、前記TMモード及び前記TEモードに対して得られた電磁界に基づいて前記FDTD領域における電磁界を算出する、ことを特徴とする請求項6又は7に記載のシミュレーションプログラム。 In the analysis step,
When the electromagnetic wave includes both the TM mode and the TE mode, the first electromagnetic field analysis for the TE mode is obtained by applying the recursive convolution method to the wave equation derived from the Maxwell equation. A second equation for electromagnetic field analysis obtained by applying the recursive convolution method to the Maxwell equation for the TM mode by solving the equation with the computer using the recursive relational expression. The electromagnetic field in the FDTD region is calculated on the basis of the electromagnetic fields obtained for the TM mode and the TE mode by solving the problem with the computer using the inductive relational expression. The simulation program according to claim 6 or 7.
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