在光学波导附近建模散射器

电介质平板波导是光子结构设计中的概念构建块之一。尽管大多数真实结构比仅仅是二维介电板更复杂，但我们仍然可以从这种情况下学到很多关于建模的知识。在这里，我们将在光学波导的接近度中查看一个小损耗的散射器，显示它如何与田地相互作用，并沿波导沿着波导以及损失和散射进行计算和透射。

背景

示例案例的示意图如下所示。介电平板波导在附近有一个小的圆形金属物体，该物体将与田地相互作用，导致材料内部的某些损失，并将光散射到所有方向上。对于没有附近物体的波导的示例，这种情况将减少到完美的电介质平板波导，并讨论在此模型中。

2D电介质平板波导的示意图，具有有损材料，靠近核心。

我们将考虑一个足够宽以支持多种模式的波导的情况，尽管我们将自己限制在建模平面上的电场极化的示例中。（我们可以合理地假设电场或磁场是极化的纯粹平面外的，并且只要所有材料都是各向同性的，这两者之间都没有耦合。）这简化了我们的分析。

沿波导的入射光可以反映，传播，吸收和散射。

在开始建模之前，值得做一些手动簿记，思考光的来源以及它的去向。我们将考虑沿波导向散射器传播的光，并且该入射光是第一个，基本的模式。由于散射器，入射光的一部分将是：

1. 向前传输和相同的基本模式
2. 向前传输，但转换为第二模式
3. 向后反映，进入基本模式
4. 向后反映，然后进入第二种模式
5. 被有损金属包容吸收
6. 分散到其他方向

将传输计算为波导的四个可能的引导模式（项目1-4），仅要求我们将四个不同的数值端口引入模型，两侧两个。正如已经在以前的博客文章，可以在建模空间内的边界处引入多个内部狭缝端口边界条件。将吸收对有损材料进行建模仅涉及整合损失在金属对象中。这是最后的数量，即散射光的计算，需要特别注意。

计算散射光

通常，来自波导附近物体的散射光可以朝任何方向发展。但是，我们确实知道，沿波导轴传播的光必须是引导模式之一。因此，如果我们在波导中绘制一个正常的边界，并整合了越过该边界的功率流，我们知道该积分将是导向光的总和，加上任何散射的光线几乎可以传播但不完全平行到波导。沿波导的光的光是通过端口的透射和反射率计算的。因此，如果我们将其减去，我们将留下分散的分数。现在，由于我们正在跨内部边界集成，我们将要使用向上（）或者下（）操作员仅评估边界一侧的通量。为了准确集成这些，我们使用边界层网格。

我们可以插入与波导相切的其他内部边界，还可以监视跨它们的功率流。它们将与前两个边界一起形成一个矩形盒子。整合从这个盒子中流出的功率可以使我们的所有散射和所有光线作为引导模式的总和。

我们的计算模型示意图。

除了监视散射的光之外，我们还需要确保从建模域传播的光不会反射回。我们通过使用完美匹配的层（PML）来做到这一点，这做得很好吸收大多数外向的辐射借助其默认设置。However, for the PML’s adjacent to the waveguide, we can get a little bit better performance by adjusting the characteristic wavelength in the PML settings to be based upon the propagation constant of the first guided mode of the waveguide, because we do know that most of the power is still carried in this mode. This setting is shown in the screenshot below.

PML波长设置的手动调整。

样品结果显示介电板波导附近有损耗的金属散射器。

我们的模型结果显示在上图中，模型文件可通过下面的链接下载。每当您在介电波导附近建模散射器时，您都需要使用此处开发的建模技术的组合。

自己尝试

通过单击下面的按钮来获取此博客文章中讨论的模型，这将带您到应用程序库。