cst表面等离子极化激元spp发生在金属-介质的表面,所以其实金属或介质都可作为波导的核心。这期我们看一下金属薄膜作为波导。表面等离子体波的波导处于亚波长,在纳米光子领域很有用。对于波导波矢量的表征,有效折射率(effective refrective index)neff就是最重要的kpi,也叫有效指数或模态指数(modal index)。
1. imi结构等离子体波
先看最基本一种,空气-银-二氧化硅imi结构(insulator–metal–insulator)。
与一般硅光波导不同,这里硅核换成了银,而银在光频的介电为负,所以光不再是集中在波导核心,而是在银和介质交界。
传播方向为x,我们仿真的算是二维的结构,所以端口细长。这种二维的波导我们需要限制两边边界为磁边界,这样tm模式才能激励出spp。当然实际的波导需要好好设计截面,使模式聚集,而不是用理想磁边界。这里只是为了分析二维spp模式。
添加后处理计算有效指数:
求解器只计算一个频点(波长1.55um):
银的高度做个参数扫描,10-100纳米,
扫描结束后,查看表面等离子波和端口模式(h=100):
可见2000纳米的长度内差不多接近4个周期,所以我们就按500nm的spp波长估算,是1550nm的三分之一,远小于空间波长,这就是spp的sp特性。
电场垂直与交界:
有效折射率随银膜高度变化:
换写成0d结果:
另一种有效指数获取方法是将端口信息中的有效介电常数开根号:
2. 截断imi结构边界模
为了形成缝隙波导,截断的imi结构的边界模式也要分析一下,同样也是获得有效模态指数。注意这里二维结构建模就是截面了,传播方向为z。
同理可获得有效折射率与银膜高度之间的的曲线,等下一起展示。
3. 缝隙波导
同样也是截面二维建模,参数化缝隙宽带为w,银膜高度为h:
扫描银的厚度和缝隙的宽度:
可获得每个runid有效折射率的0d曲线:
调整数据:
这里也可以通过后处理提取一下每个w的有效折射率曲线,比如w=50:
最后,我们把所有的曲线放在一起查看:
比如在h=80nm时,不同的缝隙宽w的缝隙波导有效指数是可以大于或小于spp模或边界模的有效指数的。当大于时,波导模式能量聚集,当小于时,有漏波现象:
w=50:
w=80:
w=200:
如果还是不清楚这里在仿真什么的话,加长传播方向,展示个表面等离子极化激元的波导传播动图就明白了:
小结:
1. 本案例展示了一些基本的spp模式仿真,可见最终我们能够用几十纳米尺寸的一个波导,来传播1.55微米的光(严格讲应该是介质中的波长)。这种深亚波长尺寸的应用就是spp的特点。
2. 光频仿真经常用到二维分析,所谓二维仿真,也就是薄薄一层结构,计算方便。
3. 以上仿真结果与文献一致。
4. 波导仿真13k网格,笔记本电脑仿真一个频点也就半分钟时间。
参考:
veronis, g., & fan, s. (2008).properties of three-dimensional plasmonic slot waveguides. plasmonics: metallicnanostructures and their optical properties vi. doi:10.1117/12.794322
(内容、图片来源:cst仿真专家之路公众号,侵删)
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