CST 超材料光子晶体和禁带分析实例
光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的光学结构，可被视为广义超材料 metamaterial 的一种。本期我们演示设计一个基于光频能带(PBG,photonics band gap) 的二维光子晶体波导，能带分析方法也可适用于微波波段（EBG,electromagetic band gap）。工作频率最高到 220THz 左右，属于红外线。220THz 的导波波长为 1.36um，所以晶格间距和半波长接近，约 0.6um 左右。
Step 1. 禁带分析模板
这里我们用周期结构模板，色散图推荐本征模 E-solver，频率单位 THz，尺寸单位 um。
使用这个模板的好处最大好处就是布里渊区(Brillouin Zone) Γ-X-M-Γ 三角形扫描参数自动定义好。这里 PathPara 是指三角形三个边，0-1 是Γ到 X，1-2 是 X 到 M，2-3 是 M 到Γ。表达式用了两个 VBA 函数，Fix 是返回整数，比如 Fix(9.9)返回 9；Choose 是选择，Choose(Index, expr[, ...]) 根据第一个 index 值返回后面系列值中的第 index 个。
受控的两个参数是 phaseX 和 phaseY, 他们在边界条件处控制扫描角度。
另外模板也自动定义好参数扫描 PathPara，从 0 扫到 3，这样做的好处就是一个 PathPara 就控制了布里渊区的三个路径扫描。
Step 2. 单元建模和仿真
接下来我们画一个圆柱晶体，高度为 0.01 微米， 半径为 0.18 倍的晶格距离，晶格距离我们定义为 0.58 微米，是圆柱与圆柱的中心距离。当然目前只是个单元结构，没有其他圆柱，但是我们用的是周期边界，圆柱晶体到边界的距离就要手动定义成晶格距离的一半减去圆柱半径。这里的尺寸建议都用参数化定义，对以后的分析有帮助。边界条件模板自动设好， X 和 Y 轴为周期结构，Z 方向为电边界。因为我们要用这种半导体介质柱做波导，电边界合适；高度很小所以是二维材料。圆柱的材料为材料库中的 GaAr，砷化镓是光子晶体中常用材料。
然后 E-solver 分析模式选 2 个，注意不要点 Start 开始，要去 Parameter Sweep 点开始扫描角度参数 PathPara。
扫描结果为两条布里渊区的能量带，纵坐标为频率，可以看到 150-225THz 之间有禁带，波不能通过，所以可以用来做波导壁。
Step 3. 晶格建模和仿真
这里我们复制成 7x7 的周期结构，Translate 移动 0.58 加上复制 6 次, X 和 Y 方向各一次即可。X 和 Y 方向各延伸半个晶格间距，Z 方向还是紧贴的电边界。这里可以复制可以更多周期，波导的效果更好。
然后故意删除一些单元，形成波导路径。这里可以设计任意路径。
然后定义激励信号，在路径的两端加两个 PEC 方块，之间定义波导端口，方块距离最近的圆柱为 1 个晶格间距。
由于高度太小不容易操作，用 Axes Scaling 调整 Z 轴视角是一个小技巧：
然后我们换成 T-solver，加上两个场监视器分别在 200THz 工作频率和 240THz 阻断频率，便可以开始仿真。以下图结果可看到 200 太赫兹有波导效果，240 太赫兹就没有。
分享实用的仿真技巧~ 2023-05-11 加入
专为企业/科研/教育客户提供CAE仿真软件方案
评论