非對稱銀膜多孔硅-氟化鈣等離子體波導及其波導靈敏度特性*

王芳 陳亞珂 李傳強 馬濤3)? 盧穎慧 劉恒4) 金嬋

1) (河南師范大學電子與電氣工程學院,新鄉(xiāng) 453007)

2) (中國科學院界面物理技術重點實驗室,上海 201800)

3) (河南師范大學,河南省光電傳感集成應用重點實驗室,新鄉(xiāng) 453007)

4) (河南師范大學,河南省電磁波工程院士工作站,新鄉(xiāng) 453007)

本文研究了一種非對稱銀膜多孔硅-氟化鈣混合等離子體波導,并對其模式特性和波導靈敏度進行了分析.利用有限元方法分析了波導中兩個不同偏振態(tài)基模(PM 1 和PM 2)的有效折射率、傳輸損耗、歸一化有效模場面積、品質因數和波導靈敏度,并對幾何參數進行優(yōu)化.結果表明,在中紅外波長3.5 μm 附近,非對稱銀膜多孔硅-氟化鈣混合等離子體波導具有良好的模場約束能力和低損耗特性;此時,PM 1 和PM 2 的歸一化有效模場面積分別為0.30 和0.52,傳輸損耗分別 為0.019 dB/μm 和0.016 dB/μm,品質因數分別為1335.54 和1594.99,波導靈敏度分別為0.080 和0.064.通過制造容差分析可知,非對稱銀膜多孔硅-氟化鈣混合等離子波導在±10 nm 的制造容差范圍內保持了良好的模式特性和傳感特性.非對稱銀膜多孔硅-氟化鈣混合等離子體波導結構簡單,損耗小,易于實現表面等離子體傳感,為無標記生物化學傳感提供了一種可行的方案,另外,波導的非對稱結構也可用于模式偏振態(tài)變換.

1 引言

隨著微納米技術的高速發(fā)展,納米光子學取得了許多重大的突破,尤其是表面等離子體技術,已經成為納米光子學領域中最活躍的研究之一.表面等離子體激元(surface plasmon polaritons,SPP)中最簡單的一種形式是電磁激勵,它沿著金屬和介質的交界面以波狀方式傳播,其振幅從界面進入金屬或介質呈指數衰減[1?3].SPP 是由于光子與金屬表面自由電子的耦合而在金屬與介質界面共振產生的橫磁(transverse magnetic,TM)表面模[4].SPP 具有許多優(yōu)點,例如:突破衍射極限,強光場約束力,局部場能量增強,尺寸小以及與周圍環(huán)境相互作用的敏感度高等[5,6].因此,廣泛應用于光子和光電器件,例如:耦合器[7]、傳感器[8?10]、調制器[11,12]、環(huán)形諧振器[12,13]、M-Z 干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[14]、光柵耦合器[15]、偏振轉換器[16]、光探測器[17]以及納米天線[18].雖然SPP 在很多方面都有廣大的應用前景,但實現前景的最大限制是SPP 傳輸損耗高.為了減少SPP 的傳輸損耗,可利用光增益介質、低溫冷卻、金屬薄膜和改進等離子體波導等方法來解決[19].與傳統(tǒng)的等離子體波導(surface plasmon polaritons waveguides,SPPW)相比,混合表面等離子體(hybrid plasmonic waveguides,HPW)在損耗和約束之間提供了更好的平衡[20],并且與絕緣體上的硅(silicon on insulator,SOI)技術兼容.

目前,傳統(tǒng)的光學傳感器體積大,不易攜帶,為使傳感器小型化,研究者提出了許多可微型化的傳感結構.由于HPWs 與周圍環(huán)境的強相互作用和局域增強效應,HPWs 為實現新型生物化學傳感提供了一種可行的方案.

多孔硅(porous silicon,PS)具有良好的光學特性,例如光致發(fā)光效應和反射干涉效應.由于PS 有較大的比表面積,增強了光與物質的相互作用.另外,PS 的可調孔隙率隨制造參數的變化而變化[21],使其折射率(refractive index,RI)在空氣和多孔硅之間可調.由于PS 的這些優(yōu)勢,它被廣泛應用于光電子學領域[22–26]、電力工程[27]和傳感領域[28].此外,由于氟化鈣穿透性好,寬帶透過率高、環(huán)境抗性強和獨特光學特性,致使它在半導體的應用上有著悠久的傳統(tǒng).并且氟化鈣(CaF2)紅外透過率高、光譜色散低和更寬的中紅外(midinfrared,MIR)光譜透明窗口,是一種很有前途的SiO2替代材料.

本文研究了一種非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導(PS-CaF2HPW),它是在氮化硅波導的頂面和一側側壁沉積覆蓋氟化鈣層和銀薄膜層而形成的一種非對稱波導結構.利用有限元方法(finite element method,FEM)對波導中的等離子體模式進行了數值計算,研究了波導中存在的兩個基模在中紅外波長(3.5 μm)處的有效折射率、品質因數、有效模場面積和傳輸損耗特性,并采用參數掃描方法對結構的幾何尺寸參數進行了優(yōu)化.通過改變波導包層的折射率,研究了利用等離子體模式進行傳感時的波導靈敏度.隨后,分析了非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的制造容差.

2 波導建模和數值模擬

建立非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的模型,其三維示意圖和二維截面圖如圖1(a)和圖1(b)所示,PS-CaF2混合等離子體波導由SiO2襯底上的 PS 條狀波導、CaF2層和Ag 薄膜層組成.PS 條形波導的寬度和高度分別為W1和H1,CaF2和Ag 層的右側壁寬度分別為W2和W3,上覆蓋層的厚度分別為H2和H3.PS,CaF2和SiO2的折射率分別為2[29],1.44 和1.45.波導上覆蓋層為待測溶液,其折射率為nc.工作波長為3.5 μm時,Ag 的介電常數可近似為–86.64+8.74 i[30].

圖1 非對稱銀膜的PS-CaF2 混合等離子體波導示意圖 (a)三維圖;(b)波導截面圖Fig.1.Schematic diagram of Ag film coated asymmetric PS-CaF2 hybrid plasma waveguide:(a) 3D diagram;(b) cross-sectional view.

為了衡量非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的模式特性、傳輸特性和傳感性能,通常用有效折射率(neff)、品質因數(FOM)、傳輸損耗(α)、歸一化模場面積(A)以及波導靈敏度(Swg)參數來進行分析.

品質因數(FOM)可綜合衡量波導的模式特性,計算公式如下:

其中Re(neff)和 Im(neff)是模式的有效折射率實部和虛部.

模式的有效折射率虛部與其傳輸損耗(α)成正比:

有效模場面積Aeff反映了波導對模式的束縛能力,其定義式為

通常用歸一化模場面積A=Aeff/A0來描述,A0=λ2/4 表示自由空間中的衍射限制面積.(3)式中,Weff和W(x,y)分別是模式的總能量和能量密度.

傳感性能通常用靈敏度(sensitivity,S)表示,它描述了待測物質的變化與某種物理量的變化的對應關系.靈敏度一般分為兩部分:器件靈敏度(device sensitivity,Sdev)和波導靈敏度(waveguide sensitivity,Swg).器件靈敏度取決于器件的性能,而波導靈敏度取決于波導結構,因此,本文對非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的波導靈敏度進行了分析,其定義為[31]

其中Δnc和Δneff分別是周圍折射率(nc)的變化量和引起的有效模式折射率的變化量.

本文采用FEM 對非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導在中紅外波段的模式特性、傳輸特性和波導靈敏度進行了研究.根據光場的模式分析原理,將非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的待計算區(qū)域剖分為非均勻三角形網格,CaF2和Ag 層的最小網格值為5 nm,其他計算區(qū)域為0.3 μm,在邊界上使用散射邊界條件來模擬吸收邊界,并通過收斂性測試確保計算的準確性.

3 模式特性分析及參數優(yōu)化

為了分析波導的中紅外特性,選取工作波長λ=3.5 μm,并對尺寸參數W1(=H1),W2(=H2)和W3(=H3)進行參數化掃描.利用FEM 中的模式分析方法計算了非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導中存在的模式,結果表明,波導中存在兩個不同偏振態(tài)的基模(PM 1 和PM 2).當波導的尺寸參數選取W1(=H1)=1500 nm、W2(=H2)=300 nm 和W3(=H3)=70 nm 時,PM 1 和PM 2 的模式分布如圖2(a)和圖2(b)所示.圖2 中紅色箭頭表示PM 1 和PM 2 的電場分量的方向,因此,PM 1 和PM 2 具有不同的偏振方向.波導中心沿x 方向的電場模如圖2(c)和圖2(d)所示,PM 1 和PM 2 中的電場主要集中在PS 和CaF2層.

圖2 W1 (=H1)=1500 nm,W2 (=H2)=300 nm 和W3 (=H3)=70 時,非對稱銀膜PS-CaF2 混合等離子體波導中不同模式的模場分布圖 (a) PM 1;(b) PM 2;波導中心沿x 方向的電場分布圖 (c) PM 1;(d) PM 2;W1 (=H1)=1500 nm 和W2 (=H2)=300 nm時,無銀膜普通波導的模場分布圖 (e) TM01;(f) TE01;波導中心沿x 方向的電場分布圖 (g) TM01,(h) TE01Fig.2.Mode field distributions of (a) PM 1 and (b) PM 2;electric field distribution along the x axis of (c) PM 1 and (d) PM 2;mode field distributions of (e) TM01 and (f) TE01;electric field distribution along the x axis of (g) TM01 and (h) TE01 when W1 (=H1)=1500 nm,W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70.

為了分析非對稱銀膜對模式偏振方向的影響,仿真了無Ag 膜的普通波導,其兩個基模如圖2(g)和圖2(f)所示,圖中紅色箭頭表示電場方向.對比圖2(a)、圖2(b)和圖2(e)、圖2(f)可以看出,相比無Ag 膜的波導,PM 1 和PM 2 的電場方向偏轉了45°角.對比圖2(c)、圖2(d)和圖2(g)、圖2(h)可知,增加Ag 膜的等離子體波導的PS 芯層的模式能量比普通波導高.

圖3(a)—(c)是PM 1 和PM 2 的Re 和α 隨W1,W2和W3的變化曲線圖4(a)—(c)是PM 1和PM 2 的FOM 和A 隨W1,W2和W3的變化曲線.從圖4(a)可以看出,當W2=300 nm,W3=70 nm 時,隨著W1增大,FOM 和A 都增加.這是因為W1增大,更多的模場能量被限制在了PS 層,減小了模式的有效模場面積和損耗(折射率虛部),從而使FOM 和A 增大.如圖4(b)所示,當W1=1500 nm,W3=70 nm時,在W2=350 nm 之前,PM 2 的A 逐漸減小而PM 1 的A 則是逐漸增大,而在W2=350 nm之后PM 1 和PM 2 的A 幾乎都保持不變.PM 1 的FOM 在整個過程中是一直增大,而在W2=350 nm 之前,PM 2 的FOM先減小,之后緩慢增大.在圖4(c)中,當W1=1500 nm,W2=300 nm 時,在W3=70 nm 之前,PM 1和PM 2 的FOM 隨著增加,而在W3=70 nm之后,則都幾乎保持不變,這與銀膜厚度滿足模式指數衰減要求相關.PM 2 的A 保持一直不變的狀態(tài);在W3=150 nm之前,PM 1 的A 呈現增長趨勢,之后基本保持不變.

圖3 PM 1 和PM 2 的Re(neff)和α 隨(a)W1 (=H1),(b)W2 (=H2) 和 (c) W3 (=H3)變化的規(guī)律,W1 (=H1),W2 (=H2) 和W3 (=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.3.Re(neff) and α of the PM 1 and PM 2 with different:(a) W1 (=H1) at W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm;(b) W2 (=H2) at W1 (=H1)=1500 nm and W3 (=H3)=70 nm;(c) W3 (=H3) at W2 (=H2)=300 nm and W1 (=H1)=1500 nm.

圖4 PM 1 和PM 2 的FOM 和A 隨(a)W1 (=H1),(b)W2 (=H2)和(c) W3 (=H3)變化的規(guī)律,W1 (=H1),W2 (=H2) 和W3 (=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.4.FOM and A of the PM 1 and PM 2 with different:(a) W1 (=H1) at W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm;(b) W2(=H2) at W1 (=H1)=1500 nm and W3 (=H3)=70 nm;(c) W3 (=H3) at W2 (=H2)=300 nm and W1 (=H1)=1500 nm.

4 波導傳感特性分析

圖5(a)和圖5(b)反映了nc變化對PM 1 和PM 2 的Re(neff),FOM 和A 的影響.當W1=1500 nm,W2=350 nm 和W3=70 nm 時,從圖5(a)可以看出,隨著nc的增大,PM 1 和PM 2 的Re(neff)隨之增大.對PM 1 和PM 2 的Re(neff)做線性擬合,線性擬合線的斜率為波導靈敏度Swg,PM 1和PM 2 的Swg分別為0.080 和0.064.如圖5(b)所示,隨著nc的增大,PM 1 的FOM 逐漸遞減,而 PM 1 的A 在nc小于1.4 之前略微遞減,之后則劇烈下降.PM 2 的FOM 和A 隨著nc的增大呈略微上升趨勢.

圖5 在 不同 的nc 下,PM 1 和PM 2 的(a) Re(neff),(b)FOM 和A 的變化規(guī)律,W1 (=H1),W2 (=H2) 和W3 (=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.5.(a) Re(neff) and (b) FOM and A of the PM 1 and PM 2 with different nc as W1 (=H1)=1500 nm,W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm.

圖6(a)—(c)是非對稱Ag 膜多孔硅-氟化鈣混合等離子體波導的Swg隨著W1,W2和W3的變化情況.從圖6(a)中可以看出,當W2=300 nm 和W3=70 nm 時,PM 1 和PM 2 的Swg隨W1的增加而減小.由于W1的增加有利于更多的模式能量被限制在PS 芯層,從而導致PM 1 和PM 2 的Swg減小.如圖6(b)所示,當W1=1500 nm和W3=70 nm 時,PM 1 的Swg隨著W2的增加而減小,然而PM 2 的Swg反而增大.這是因為模式的極化方向不同,致使PM 1 和PM 2 的Swg呈現出相反的變化趨勢.圖6(c)中,當W1=1500 nm 和W2=300 nm 時,PM 1 和PM 2 的Swg隨著W3變化而保持不變,說明W3的變化基本不影響Swg.因為模式的模場能量幾乎都被限制在PS 層和CaF2層中(如圖2(a)和圖2(b)所示).當W1=1500 nm,W2=300 nm 和W3=70 nm 時,PM 1 和PM 2的波導靈敏度分別為0.080 和0.065.

為了分析Ag 膜對波導靈敏度的影響,無Ag膜時Swg隨著W1和W2的變化情況如圖6(d)和圖6(e)所示.從圖6(d)中可以看出,當W2=300 nm 時,PM 1 和PM 2 的Swg隨W1的增加而減小,但PM 1 的減小幅度遠小于PM 2.因為隨著W1的增大,對于PM 2 來說,模場能量被更多地限制在PS 層,而PM 1 的模場能量分布主要集中在在PS 層中心位置,故W1的增大對PM 1 的影響并不大.如圖6(f)所示,當W1=1500 nm 時,PM 1 和PM 2 的Swg隨著W2的增大而逐漸變小.因為隨著W2的增大,被限制在PS 層和CaF2層模場能量增加.當W1=1500 nm 和W2=300 nm時,PM 1 和PM 2 的靈敏度分別為0.115 和0.151.增加非對稱Ag 膜后,波導的表面等離子體效應降低了結構的波導靈敏度,然而,能量分布更加集中的優(yōu)勢可以提高傳感系統(tǒng)的集成度,有利于提高傳感的器件靈敏度.這里提出的非對稱Ag 膜結構還可以實現不同偏振模式的復用和多參數傳感.

圖6 非對稱PS-CaF2 混合等離子體波導的PM 1 和 PM 2 的Swg 隨(a) W1 (=H1),(b) W2 (=H2)和(c) W3 (=H3) 的變化規(guī)律,W1 (=H1),W2 (=H2) 和W3 (=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nm;無Ag 膜波導的PM 1 和 PM 2 的Swg 隨(d) W1 (=H1)和 (e) W2 (=H2)的變化規(guī)律,W1(=H1)和W2(=H2)分別取1500 nm 和300 nmFig.6.with an asymmetric Ag film of Swg of the PM 1 and PM 2 in the PS-CaF2HPW with an asymmetric Ag films with different:(a) W1 (=H1) at W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm;(b) W2 (=H2) at W1 (=H1)=1500 nm and W3 (=H3)=70 nm;(c) W3 (=H3) at W2 (=H2)=300 nm and W1 (=H1)=1500 nm.Without an asymmetric Ag film of Swg of the PM 1 and PM 2 in the waveguide without an asymmetric Ag film of with different (d) W1 (=H1) at W2 (=H2)=300 nm;(b) W2 (=H2) at W1 (=H1)=1500 nm.

溫度變化對波導靈敏度的影響是傳感結構必須考慮的因素,因此,我們分析了溫度變化對波導靈敏度的影響,如圖7(a)所示.在環(huán)境溫度為295 K 附近時,PS,CaF2,PMMA 和Ag 的熱光系數(thermo-optical coefficient,TOC)分別是2.45 ×10–5/K,2.8×10–5/K,–1.1×10–4/K 和2.13×10–4/K.當溫度變化時,波導的Swg基本不變化.由圖7(b)和圖7(c)可知,溫度變化對α,FOM 和A 的影響也不大,幾乎不發(fā)生變化.從圖7 可以看出,波導的性能受溫度影響較小.

圖7 W1 (=H1)=1500 nm,W2 (=H2)=300 nm 和W3 (=H3)=70 nm 時,在不 同的ΔT 下 (a) Re(neff),(b) α,(c) FOM 和A 的變化規(guī)律Fig.7.(a) Re(neff),(b) α,(c) FOM and A with different ΔT as W1 (=H1)=1500 nm,W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm.

5 波導制備方法與容差分析

本文提出了制備非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的可行方案,流程圖如圖8 所示:首先,在SiO2襯底層上使用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)技術在超高真空下外延生長PS層,并用傳統(tǒng)的深紫外線光刻刻蝕PS 層;其次,利用分子束外延技術在超高真空條件下外延生長非對稱CaF2層;再利用真空蒸發(fā)法沉積不對稱Ag 膜;最后,利用固態(tài)水等離子體刻蝕法刻蝕掉多余的PS 和CaF2部分.

圖8 制造流程 (a)在SiO2 襯底上外延生長PS 層;(b)電子束光刻使其成型;(c)涂上抗蝕劑;(d) 在PS 上外延生長CaF2 層;(e) 傾斜沉積金屬Ag 層;(f)電子束光刻使其成型,并清除抗蝕劑Fig.8.(a) Grow PS on a SiO2 substrate;(b) pattern the resist through E-beam lithography;(c) it is coated with a resist;(d) grow CaF2 layers epitaxially on a PS layer;(e) oblique deposition of metal Ag;(f) electron beam lithography moulds it and removes the resist.

尺寸容差對非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導的影響是波導實際應用必須考慮的問題,因此需要討論尺寸容差對非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導性能的影響.本文設計的非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導部分覆蓋CaF2和Ag 薄膜,在制造過程中要求較大的對準容差.尺寸容差對非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導性能的影響如圖9—圖11 所示.根據前文的參數優(yōu)化,在下面的仿真過程中,W1(=H1),W2(=H2)和W3(=H3)分別為1500 nm,300 nm 和70 nm.此 時,PM 1 和PM 2 的FOM 分別是1335.45和1594.99;A 分別為0.30,0.52;Swg分別為0.080,0.064.在±10 nm 的容差范圍內,研究了ΔW1,ΔH1,ΔW2,ΔH2,ΔW3和ΔH3對FOM,A 和Swg的影響.

圖9 不同的尺寸容差下,PM 1 和PM 2 的FOM 的變化(ΔFOM)隨(a) ΔW1 和ΔH,(b) ΔW2 和ΔH2;(c) ΔW3 和ΔH3 的變化規(guī) 律,W1 (=H1),W2 (=H2) 和W3 (=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.9.The changes of FOM (ΔFOM) for the PM 1 and PM 2 with different dimensional tolerances:(a) ΔW1 and ΔH1 at W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm;(b)ΔW2 and ΔH2 at W1 (=H1)=1500 nm and W3 (=H3)=70 nm;(c) ΔW3 and ΔH3 at W1 (=H1)=1500 nm and W2(=H2)=300 nm.

圖10 在不同的尺寸容差下,PM 1 和PM 2 的A 的變化(ΔA)隨(a) ΔW1 和ΔH1,(b) ΔW2 和ΔH2,(c) ΔW3 和ΔH3 的變化規(guī)律.W1(=H1),W2(=H2) 和W3(=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.10.The changes of A (ΔA) for the PM 1 and PM 2 with different dimensional tolerances:(a) ΔW1 and ΔH1 at W2 (=H2)=300 nm and W3 (=H3)=70 nm;(b) ΔW2 and ΔH2 at W1 (=H1)=1500 nm and W3 (=H3)=70 nm;and (c) ΔW3 and ΔH3 at W1 (=H1)=1500 nm and W2 (=H2)=300 nm.

圖11 不同的尺寸容差,PM 1 和PM 2 的Swg (ΔSwg)隨(a) ΔW1 和ΔH1,(b) ΔW2 和ΔH2,(c) ΔW3 和ΔH3 的變化規(guī)律.W1(=H1),W2(=H2) 和W3(=H3)分別取1500 nm,300 nm 和70 nmFig.11.The changes of Swg (ΔSwg) for the PM 1 and PM 2 with different dimensional tolerances:(a) ΔW1 and ΔH1 at W2(=H2)=300 nm and W3(=H3)=70 nm;(b) ΔW2 and ΔH2 at W1(=H1)=1500 nm and W3(=H3)=70 nm;(c) ΔW3 and ΔH3 at W1(=H1)=1500 nm and W2(=H2)=300 nm.

不同尺寸容差下,FOM 的變化(ΔFOM)如圖9(a)—(c)所示.在圖9(a)中,ΔW1和ΔH1的變化對ΔFOM 的影響較小,變化幅度小于20.7和16.5.然而,因為銀膜厚度與歐姆損耗緊密相關,ΔW3和ΔH3的變化對ΔFOM 有明顯的影響.對于PM 1 來說,ΔW1(ΔW2或ΔW3)的影響比ΔH1(ΔH2或ΔH3)大.對于PM 2 來說,ΔW1(或ΔW3)和ΔH1(或ΔH3)對ΔFOM 的影響基本一樣.由于極化方向的不同,ΔW2(或ΔH2)對PM 1 和PM 2的ΔFOM 有相反的影響,如圖9(b)所示.由圖9可知,不同尺寸容差對FOM 的影響小于80.

不同尺寸容差下,A 的變化(ΔA)如圖10(a)—(c)所示.在圖10(a)中,ΔW1(或ΔH1)對于PM 2 的A 幾乎沒有影響;而對于PM 1 來說,A 都隨ΔW1(或ΔH1)增大而增加,但ΔW1的影響更明顯.在圖10(b)中,ΔW2(或ΔH2)對PM 2 的A 沒有明顯影響;而對ΔW2和ΔH2對PM 1 的A 的影響呈現相反的趨勢.如圖10(c)所示,ΔW3(或ΔH3)對PM 2 的A 幾乎沒有影響;然而ΔW3和ΔH3對PM 1 的A 有不同的影響,A 先隨ΔW3增大而增大然后幾乎不變,ΔH3對A 幾乎沒影響.總的來說,不同尺寸容差對A 的影響都小于0.06.

不同尺寸容差,Swg的變化(ΔSwg)如圖11(a)—(c)所示.在圖11(a)中,ΔW1(或ΔH1)對PM 1 和PM 2 的Swg的影響趨勢基本相同.PM 1 和PM 2的Swg隨著ΔW1增大逐漸減小.ΔH1對PM 1 和PM 2 的Swg的影響比ΔW1小.從圖11(b)可知,對于PM 1 和PM 2,ΔW2對Swg的影響與ΔH2相反.也就是說,隨ΔW2的增大,PM 1 的Swg逐漸增大而PM 2 的Swg逐漸減小.然而隨著ΔH2的增大,PM 2 的Swg逐漸增大而PM 1 的Swg卻逐漸減小.從圖11(c)上可以看出,ΔW3對PM 1 和PM 2 的Swg都幾乎沒有影響;ΔH3對PM 2 的Swg也沒有明顯影響,而只對PM 1 的Swg有影響.由以上可知,不同尺寸容差對Swg的影響都小于0.001.

6 結論

本文研究了一種能夠實現低損耗傳輸的非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導.利用有限元分析法(FEM)對波導中存在的兩種模式(PM 1和PM 2)的幾何參數進行了研究和優(yōu)化.在中紅外波長3.5 μm 附近,當W1=1500 nm,W2=300 nm 和W3=70 nm 時,PM 1 和PM 2 的歸一化有效模場面積分別為0.30 和0.52,傳輸損耗分別為0.019 dB/μm 和0.016 dB/μm,品質因數分別為1335.54,1594.99,以及波導靈敏度分別為0.080 和0.064.制造容差分析表明非對稱銀膜PSCaF2混合等離子體波導具有良好的制造誤差容忍度.非對稱銀膜PS-CaF2混合等離子體波導在傳輸性能和降低損耗等方面都具有優(yōu)勢,為實現無標記生物化學傳感開辟了新的途徑,并且為實現模式的偏振轉換提供了一種新的波導結構.