CST分析表面等离子极化激元SPP实例（1）- 硅波导,传播长度,有效模面积

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。这期我们看一下硅波导在金属基底上的波导，了解等效折射率、等效模面积和传播距离。 

用模板，我们关注一个波长1550nm，而材料库中的硅不包括该波长，所以我们可以从网络上获取硅的材料属性，下载CSV数据，然后CST中的宏读取该材料：

https://refractiveindex.info/

添加铝金属。画一个二维的金属基底：

移动WCS，画一个硅的波导核心，初始高度和宽度可用300nm。

Z+ 方向空气增加1600背景距离，边界都是open。

Y方向两个波导端口：

选择端口的面，添加face方便我们做场积分：

1.    等效折射率（effective refractive index）

材料的折射率n是反映该材料中波数的增加情况，也就是说材料中的电场波数是真空中的n倍；而等效折射率和截面设计与所用材料有关，更与频率模式有关，所以也叫模态指数（modal index）。

等效折射率很容易获得，直接用后处理模板自动从波导端口的模态结果中提取即可：

这个模板获得的数据类型是M1DC，可转换成0D数据： 

2.    等效模面积（effective mode area）

光纤和一些波导中的模式是平滑过渡的，所以等效的模式面积不容易直接获取。我们可用公式手动后处理计算：

这里I是光强（optical intensity），单位是功率每单位面积，所以我们可以用功率流监视器的结果获取。查看功率密度，这里的正负表示的是方向，蓝色表示能量垂直进入。注意我们要用的是这个垂直分量（normal）

计算I^2:

计算I^2积分：

计算I积分：

最后放一起，单位是um^2, 数据类型已经是0D：

3.    传播长度（propagation length）

SPP沿途被金属损耗，传播长度是指强度（功率）衰减1/e倍时的长度，公式是：

从端口信息中提取Alpha衰减系数：

输入公式，结果单位是um：

这样三个数据都在后处理里面了，都是0D结果。这样再做参数扫描就可以直接获得随参数变化的曲线，尤其是模面积，用到三维功率场，所以要定义好才能参数扫描。

扫描硅波导的宽和高：

扫描结束后，自动全选全部Run ID，选择结果后，调整0D曲线参数显示方式：

也可用后处理调整0D结果曲线，比如传播长度对W的曲线（h=150）:

这样我们就得到三个图，九条线：

感兴趣的也可以把波导拉长，看看实际效果：

SPP模式：

功率衰减：

参考：Alexey V.Krasavin and Anatoly V. Zayats, "Silicon-based plasmonic waveguides,"Opt. Express 18, 11791-11799 (2010)

小结：

1.  本案例介绍了3个KPI，等效折射率、等效模面积和传播距离。

2.  后处理手动输入公式可以做非常多的事情。

3.  可从网上获取光频材料数据导入CST中。