概述
貴金屬材料的較大負(fù)值介電常數(shù)可用于亞波長(zhǎng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。尤其是負(fù)介電常數(shù)使導(dǎo)模在金屬和正值電介質(zhì)材料之間存在一個(gè)單獨(dú)的截面。這些表面等離子體激元(SPPs)在金屬電介質(zhì)界面具有電場(chǎng)強(qiáng)度極值，由于其對(duì)任意接近該表面的改變極其敏感通�？捎糜趥鞲袘�(yīng)用。利用合適的模式解算器可以得到具有2D結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模。
等離子體平均功率流圖
1. 應(yīng)用
亞波長(zhǎng)光學(xué)
傳感
信號(hào)傳輸
光學(xué)偏振器
彎曲波導(dǎo)
2. 優(yōu)勢(shì)
VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導(dǎo)
搜索具有復(fù)值模式指數(shù)的模態(tài)
高階插值混合向量/節(jié)點(diǎn)元素,可以準(zhǔn)確地捕捉到金屬與電介質(zhì)交界面附近的高電場(chǎng)強(qiáng)度
三角網(wǎng)格尺寸能夠適應(yīng)高精度材料屬性
利用波導(dǎo)的對(duì)稱性，可以降低仿真域并把具有特定對(duì)稱性的模態(tài)作為目標(biāo)
VFEM快速而且精確
3. 仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復(fù)介電常數(shù)材料，并使用特別適合對(duì)高對(duì)比度介電界面進(jìn)行建模的矢量基函數(shù)來(lái)表示。其中一個(gè)很好的例子就是使用VFEM模式求解器來(lái)計(jì)算表面等離子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數(shù)為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長(zhǎng)的介電常數(shù)是-19-j0.53[1]。該傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)不僅僅有高介電常數(shù)對(duì)比度組成，同時(shí)具有較高的橫縱比，即寬度遠(yuǎn)大于厚度。
利用對(duì)稱邊界和如[1]中分類的模式組合，相應(yīng)波導(dǎo)厚度模式的色散曲線如圖1所示。所有模式具有一個(gè)主Ey分量，該分量有TM模組成并具有無(wú)限寬度結(jié)構(gòu)。
圖1 模態(tài)指數(shù)作為銀厚度的函數(shù)
對(duì)于厚度值較小的一些模式表現(xiàn)出較小的損耗，如SS0模式，其Ey分量關(guān)于x和y軸對(duì)稱。SS0模式備受關(guān)注，因?yàn)槌似漭^低的損耗，其坡印廷矢量與一個(gè)光纖(HE11)的基模在形狀上極為相似[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遠(yuǎn)大于中心。中心內(nèi)的小部分坡印廷矢量為負(fù)，這說(shuō)明能量流動(dòng)方向與傳播方向相反。
對(duì)于一些不同模式摸到的Ey場(chǎng)的實(shí)部繪制如下圖。這些模式根據(jù)Ey場(chǎng)關(guān)于y和x軸的對(duì)稱性進(jìn)行分類。“s”和“a”分別表示對(duì)稱和非對(duì)稱。上角標(biāo)表示沿X軸極值的數(shù)目[1]。
圖2 ss1模式實(shí)部（Ey）
圖2 aa2模式實(shí)部（Ey）
三角網(wǎng)格(此處未顯示)適合較大介電常數(shù)絕對(duì)值的銀以及精確近似拐角處的場(chǎng)。拐角處顯得粗糙的原因就是因?yàn)椴捎镁匦尉W(wǎng)格顯示。這也是不均勻三角網(wǎng)格的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
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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