概述
貴金屬材料的較大(dà)負值介電(diàn)常數(shù)可(kě)用于亞波長波導結構的設計(jì)。尤其是負介電(diàn)常數(shù)使導模在金屬和(hé)正值電(diàn)介質材料之間(jiān)存在一個(gè)單獨的截面。這些(xiē)表面等離子體(tǐ)激元(SPPs)在金屬電(diàn)介質界面具有(yǒu)電(diàn)場(chǎng)強度極值，由于其對任意接近該表面的改變極其敏感通(tōng)常可(kě)用于傳感應用。利用合适的模式解算(suàn)器(qì)可(kě)以得(de)到具有(yǒu)2D結構的導模。
等離子體(tǐ)平均功率流圖
1. 應用
亞波長光學
傳感
信号傳輸
光學偏振器(qì)
彎曲波導
2. 優勢
VFEM模式求解器(qì)可(kě)輕松處理(lǐ)高(gāo)橫縱比的波導
搜索具有(yǒu)複值模式指數(shù)的模态
高(gāo)階插值混合向量/節點元素,可(kě)以準确地捕捉到金屬與電(diàn)介質交界面附近的高(gāo)電(diàn)場(chǎng)強度
三角網格尺寸能夠适應高(gāo)精度材料屬性
利用波導的對稱性，可(kě)以降低(dī)仿真域并把具有(yǒu)特定對稱性的模态作(zuò)為(wèi)目标
VFEM快速而且精确
3. 仿真描述
矢量有(yǒu)限元法（VFEM）模式求解器(qì)接收複介電(diàn)常數(shù)材料，并使用特别适合對高(gāo)對比度介電(diàn)界面進行(xíng)建模的矢量基函數(shù)來(lái)表示。其中一個(gè)很(hěn)好的例子就是使用VFEM模式求解器(qì)來(lái)計(jì)算(suàn)表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為(wèi)黑(hēi)色輪廓線，中心範圍的銀由介電(diàn)常數(shù)為(wèi)4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電(diàn)常數(shù)是-19-j0.53[1]。該傳導結構不僅僅有(yǒu)高(gāo)介電(diàn)常數(shù)對比度組成，同時(shí)具有(yǒu)較高(gāo)的橫縱比，即寬度遠大(dà)于厚度。
利用對稱邊界和(hé)如[1]中分類的模式組合，相應波導厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有(yǒu)模式具有(yǒu)一個(gè)主Ey分量，該分量有(yǒu)TM模組成并具有(yǒu)無限寬度結構。
圖1 模态指數(shù)作(zuò)為(wèi)銀厚度的函數(shù)
對于厚度值較小(xiǎo)的一些(xiē)模式表現出較小(xiǎo)的損耗，如SS0模式，其Ey分量關于x和(hé)y軸對稱。SS0模式備受關注，因為(wèi)除了其較低(dī)的損耗，其坡印廷矢量與一個(gè)光纖(HE11)的基模在形狀上(shàng)極為(wèi)相似[1]。
SS0模式的坡印廷矢量沿軸傳輸顯示在背面；注意的是，功率在交界面的限制(zhì)遠大(dà)于中心。中心內(nèi)的小(xiǎo)部分坡印廷矢量為(wèi)負，這說明(míng)能量流動方向與傳播方向相反。
對于一些(xiē)不同模式摸到的Ey場(chǎng)的實部繪制(zhì)如下圖。這些(xiē)模式根據Ey場(chǎng)關于y和(hé)x軸的對稱性進行(xíng)分類。“s”和(hé)“a”分别表示對稱和(hé)非對稱。上(shàng)角标表示沿X軸極值的數(shù)目[1]。
圖2 ss1模式實部（Ey）
圖2 aa2模式實部（Ey）
三角網格(此處未顯示)适合較大(dà)介電(diàn)常數(shù)絕對值的銀以及精确近似拐角處的場(chǎng)。拐角處顯得(de)粗糙的原因就是因為(wèi)采用矩形網格顯示。這也是不均勻三角網格的另一個(gè)優勢。
參考：
[1] P. Berini, “Plasmon-polariton waves guided by thin lossy metal films of
finite width: Bound modes of symmetric structures,” Phys. Rev. B, vol.
61, no. 15, pp. 10484–10503, Apr. 2000.
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