CST分析表面等離子極化激元SPP實(shí)例（1）- 硅波導(dǎo),傳播長(zhǎng)度,有效模面積
表面等離子極化激元SPP發(fā)生在金屬-介質(zhì)的表面，所以其實(shí)金屬或介質(zhì)都可作為波導(dǎo)的核心。這期我們看一下硅波導(dǎo)在金屬基底上的波導(dǎo)，了解等效折射率、等效模面積和傳播距離。
用模板，我們關(guān)注一個(gè)波長(zhǎng)1550nm，而材料庫(kù)中的硅不包括該波長(zhǎng)，所以我們可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取硅的材料屬性，下載CSV數(shù)據(jù)，然后CST中的宏讀取該材料：
https://refractiveindex.info/
添加鋁金屬。畫一個(gè)二維的金屬基底：
移動(dòng)WCS，畫一個(gè)硅的波導(dǎo)核心，初始高度和寬度可用300nm。
Z+ 方向空氣增加1600背景距離，邊界都是open。
Y方向兩個(gè)波導(dǎo)端口：
選擇端口的面，添加face方便我們做場(chǎng)積分：
1. 等效折射率（effective refractive index）
材料的折射率n是反映該材料中波數(shù)的增加情況，也就是說材料中的電場(chǎng)波數(shù)是真空中的n倍；而等效折射率和截面設(shè)計(jì)與所用材料有關(guān)，更與頻率模式有關(guān)，所以也叫模態(tài)指數(shù)（modal index）。
等效折射率很容易獲得，直接用后處理模板自動(dòng)從波導(dǎo)端口的模態(tài)結(jié)果中提取即可：
這個(gè)模板獲得的數(shù)據(jù)類型是M1DC，可轉(zhuǎn)換成0D數(shù)據(jù)：
2. 等效模面積（effective mode area）
光纖和一些波導(dǎo)中的模式是平滑過渡的，所以等效的模式面積不容易直接獲取。我們可用公式手動(dòng)后處理計(jì)算：
這里I是光強(qiáng)（optical intensity），單位是功率每單位面積，所以我們可以用功率流監(jiān)視器的結(jié)果獲取。查看功率密度，這里的正負(fù)表示的是方向，藍(lán)色表示能量垂直進(jìn)入。注意我們要用的是這個(gè)垂直分量（normal）
計(jì)算I^2:
計(jì)算I^2積分：
計(jì)算I積分：
最后放一起，單位是um^2, 數(shù)據(jù)類型已經(jīng)是0D：
3. 傳播長(zhǎng)度（propagation length）
SPP沿途被金屬損耗，傳播長(zhǎng)度是指強(qiáng)度（功率）衰減1/e倍時(shí)的長(zhǎng)度，公式是：
從端口信息中提取Alpha衰減系數(shù)：
輸入公式，結(jié)果單位是um：
這樣三個(gè)數(shù)據(jù)都在后處理里面了，都是0D結(jié)果。這樣再做參數(shù)掃描就可以直接獲得隨參數(shù)變化的曲線，尤其是模面積，用到三維功率場(chǎng)，所以要定義好才能參數(shù)掃描。
掃描硅波導(dǎo)的寬和高：
掃描結(jié)束后，自動(dòng)全選全部Run ID，選擇結(jié)果后，調(diào)整0D曲線參數(shù)顯示方式：
也可用后處理調(diào)整0D結(jié)果曲線，比如傳播長(zhǎng)度對(duì)W的曲線（h=150）:
這樣我們就得到三個(gè)圖，九條線：
感興趣的也可以把波導(dǎo)拉長(zhǎng)，看看實(shí)際效果：
SPP模式：
功率衰減：
參考：Alexey V.Krasavin and Anatoly V. Zayats, "Silicon-based plasmonic waveguides,"Opt. Express 18, 11791-11799 (2010)
小結(jié)：
1. 本案例介紹了3個(gè)KPI，等效折射率、等效模面積和傳播距離。
2. 后處理手動(dòng)輸入公式可以做非常多的事情。
3. 可從網(wǎng)上獲取光頻材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入CST中。
