[論文レビュー] Modal Analysis for a Waveguide of Nanorods Using the Field Computation for a Chain of Finite Length

Yaghoob Rahbarihagh, Farid Kalhor+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、有限長の銀ナノロッドチェーンを用いた2次元波ガイドにおけるモード伝播を解析するため、一般化多重極技法を用いた場の計算手法を提示する。一方の端を励振し、チェーンに沿った場の分布を分析することで、伝搬定数の実部（位相）および虚部（減衰）を計算し、シミュレーション周波数範囲内では2つのモードしか伝播しないことを示している。位相定数の計算には短いチェーンで十分であり、正確な減衰定数の計算にはより長いチェーンが必要である。

ABSTRACT

The propagation of light along an infinite 2D chain of silver nanorods is analyzed and the dispersion for this waveguide is computed using field computation for a finite chain of nanorods. In this work, Generalized Multipole Technique is used for the analysis. This method calculates the imaginary and real parts of the propagation constant by exciting the chain in one end and observing propagation of modes along the chain far enough from the excitation. It is shown that a short chain of finite length is sufficient for the calculation of the phase constant while the attenuation constant requires a longer chain. Field distribution is depicted for even and odd modes and it is shown that in the simulated frequency range only two modes can be excited and can propagate along the waveguide.

研究の動機と目的

• 2次元波ガイドに含まれる銀ナノロッドの集合を用いた計算的場の手法を用いて、光の伝播を解析すること。
• 伝搬定数の実部および虚部を計算することで、波ガイドの分散特性を特定すること。
• 位相定数および減衰定数の正確な計算に必要なチェーン長を評価すること。
• シミュレーション周波数範囲内で支持されるモードの数および性質（偶数/奇数）を特定すること。
• 一般化多重極技法が有限長ナノロッドチェーンにおけるモード解析に有効であることを検証すること。

提案手法

• 一般化多重極技法を用いて、ナノロッドチェーンの一方の端を励振し、電磁場の伝播をシミュレートする。
• 励振点からの距離における場の分布を分析することで、伝搬定数を抽出する。
• 伝搬定数の実部は位相定数に対応し、虚部は減衰定数に対応する。
• 偶数モードおよび奇数モードの場の分布を可視化し、モードの挙動を特徴付ける。
• 無限波ガイドの挙動を近似するために、有限長のチェーンを用いてシミュレーションを実施する。
• モード伝播の遠方場観測に依存して、モード特性を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀ナノロッドで構成される2次元波ガイドの分散関係は、場の計算によってどのように特定されるか？
• RQ2 有限長ナノロッドチェーンの長さは、位相定数および減衰定数の計算精度にどのように影響するか？
• RQ3 シミュレーション周波数範囲内で励起され、波ガイドに沿って伝播可能なモード（偶数または奇数）は何か？
• RQ4 一般化多重極技法は、有限長ナノロッドチェーンにおける伝搬定数の計算に有効に機能するか？
• RQ5 与えられたシミュレーション条件下で、波ガイドが支持する伝搬モードの数は何か？

主な発見

• シミュレーション周波数範囲内では、偶数モードおよび奇数モードとして特定される2つのモードのみが励起され、波ガイドに沿って伝播する。
• 相対的に短い有限長ナノロッドチェーンを用いることで、位相定数を正確に計算できる。
• 場の減衰に依存するため、減衰定数の正確な計算にはより長いチェーンが必要である。
• 偶数モードおよび奇数モードの場の分布は、明確に異なる空間的パターンを示し、それぞれ対称的および反対称的特性を確認できる。
• 一般化多重極技法は、有限長シミュレーションから伝搬定数の実部および虚部を効果的に計算できた。
• 適切に配置された観測位置を用いることで、有限長チェーンがモード解析に十分であることが示された。