基于乙醇密封共振腔金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)的高性能溫度和折射率兩用傳感器*

祁云平 張婷 郭嘉 張寶和 王向賢

1) (西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 蘭州 730070)

2) (蘭州理工大學(xué)理學(xué)院, 蘭州 730050)

1 引 言

對于現(xiàn)代光電子器件和集成光學(xué)元件, 器件的小型化和信息處理高速化是歷史發(fā)展的潮流所在,傳統(tǒng)的光子器件受光的衍射極限的影響, 尺寸一直被限制在一個較大的范圍, 而電子器件和光子器件尺寸量級的不匹配也進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的信息處理速度. 表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是金屬表面電荷與光波電磁場相互作用集體振蕩從而使得電磁場被局限在小范圍內(nèi)并產(chǎn)生增強的一種現(xiàn)象[1], 此種現(xiàn)象的產(chǎn)生使得SPPs 不僅可以突破光的衍射極限, 還擁有對金屬種類、介質(zhì)環(huán)境、納米級外形和尺寸的高度敏感特性. 因此基于SPPs 設(shè)計的光子器件不僅可以實現(xiàn)亞波長尺寸的集成, 更為研究復(fù)雜功能的微納光子器件提供了可能. 近幾年, 各種基于SPPs 的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被設(shè)計出來用于制作各類光子器件, 在眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計中,金屬-絕緣體－金屬(metal-insulator-metal, MIM)波導(dǎo)以亞波長尺寸量級、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、可靠性高等優(yōu)點而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2,3].就目前而言, 基于MIM 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的各種功能的光子器件如分光器[4]、濾波器[5,6]、傳感器[7?9]、光開關(guān)[10]、布拉格反射器[11]等, 都從理論和實驗中得到了論證并取得了顯著的成果.

在眾多光子器件中[12?18], 微納傳感器件是研究的熱點所在, 其中又以折射率傳感器, 溫度傳感器和SPR 生物傳感器為重點. 在過去的幾年中, 研究者基于表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)已經(jīng)設(shè)計出許多具有代表性的折射率傳感器和溫度傳感器, 而靈敏度(sensitivity,S)是評判這些傳感器性能最重要的參數(shù). 目前, 在折射率傳感器和溫度傳感器的研究成果中,2017 年Li 等[19]設(shè)計了一種雙圓形腔體波導(dǎo)貫通型折射率傳感器, 提出了包含耦合相位的多模耦合模式理論(multimode interference coupled mode theory, MICMT)和簡并干涉耦合模式理論詳細(xì)地解釋了三種不同的Fano 共振現(xiàn)象, 該折射率傳感器靈敏度為840 nm/RIU. 2014 年Wu 等[20]研究了一種基于表面等離子體波導(dǎo)(surface plasmonic waveguides, SPWs)的乙醇密封矩形腔體納米溫度傳感器, 該溫度傳感器的靈敏度為0.65 nm/℃,半峰全寬(full width at half maximum, FWHM)為50.6 nm, 在工作波段該傳感器只有兩個共振峰.2019 Liu 等[21]在Wu 等[20]的研究基礎(chǔ)上將石墨烯條帶引進(jìn)MIM 集成的矩形腔體中, 使石墨烯共振模和矩形腔的TM10模之間產(chǎn)生相干耦合形成Fano 共振, 不僅增加了尖銳共振峰的數(shù)量, 還為設(shè)計高靈敏度傳感器提供了理論依據(jù). 折射率傳感器的測量是通過納米纖維將光耦合到傳感器中, 由JY 共聚焦拉曼顯微鏡進(jìn)行輸出光的檢測[20]. 因此透射峰越尖銳、FWHM 越窄, 振幅越大, 波谷越小會使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確, 本文將具有上述特性的透射峰定義為質(zhì)量好. 而隨著SPPs 在傳感器領(lǐng)域的深入研究, 簡單的MIM 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的納米陣列結(jié)構(gòu)[22]、多腔體耦合結(jié)構(gòu)[23]、波導(dǎo)-腔體-石墨烯混合結(jié)構(gòu)[21]相比存在明顯的靈敏度小和共振峰質(zhì)量低的缺點. 因此, 設(shè)計出既能保留MIM 波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢, 又能保證高靈敏度和高質(zhì)量共振峰的傳感器是本文主要考慮的問題.

為解決上述出現(xiàn)的問題, 本文設(shè)計了一種雙波導(dǎo)正八邊環(huán)形表面等離子體共振系統(tǒng). 該系統(tǒng)作為溫度傳感器和折射率傳感器靈敏度分別高達(dá)0.9 nm/℃和2400 nm/RIU. 理論上利用SPPs 色散方程分析了乙醇作為溫度傳感器的熱敏填充材料的可行性, 并且結(jié)合MICMT 理論對該傳感器的透射峰進(jìn)行了分析計算, 結(jié)果顯示理論值和仿真值高度一致. 傳統(tǒng)的折射率傳感器只分析了折射率和共振波長之間的線性關(guān)系而忽略了溫度、濕度等外界干擾對空氣折射率的影響, 而這種影響往往帶來較大的檢測誤差. 一般情況下, 一個干擾因素可以由兩個透射峰來進(jìn)行差動相減處理使之消除. 因此共振峰越多, 消除干擾因素的能力就越強. 要產(chǎn)生更多的透射峰, 可以通過添加額外的共振腔、改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或增大結(jié)構(gòu)尺寸等. 考慮到結(jié)構(gòu)集成的問題, 采用改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的方法提出環(huán)八邊形共振腔結(jié)構(gòu). 在使用材料和腔體大小相近的情況下, 相比2014 年Wu 等[20]的設(shè)計, 正八邊環(huán)形腔相比圓環(huán)形腔有更多的角落和更大的腔體面積, 為駐波的形成提供了更多的可能. 在保證高靈敏度不變的同時, 增加了透射峰的數(shù)量. 使得本文設(shè)計的折射率傳感器不僅具有5 個高質(zhì)量[20]的共振峰, 更兼具結(jié)構(gòu)簡單易于集成[22,23]的優(yōu)點, 而極高的檢測靈敏度更是同類型折射率傳感器中不可多得的. 該結(jié)構(gòu)各方面性能比之前提出的MIM 型折射率傳感器和溫度傳感器都有所提高[19?25]. 為以后基于表面等離激元設(shè)計的亞波長量級的溫度和折射率兩用傳感器提供了一種高性能的腔體選擇.

2 模型建立和理論分析

圖1 正八邊環(huán)形共振腔MIM 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖 (a)三維模型; (b) 二維模型Fig. 1. The structure schematic of two slits MIM SPPs waveguides with a regular octagon ring resonator: (a) 3D model; (b) 2D model.

本文設(shè)計的基于SPPs 的等離子體溫度傳感器如圖1 (a)所示. 該傳感器由兩個MIM 波導(dǎo)和一個正八邊環(huán)形共振腔非貫通耦合組成. 在正八邊形環(huán)形腔體中利用毛細(xì)管吸引力將乙醇進(jìn)行填充[24],并利用銀膜表面上的介電材料將乙醇密封在共振腔中, 其中藍(lán)色、紅色和淡黃色部分分別表示乙醇、銀和石英基底, MIM 波導(dǎo)狹縫部分用空氣進(jìn)行填充. 熱光系數(shù)是衡量單位溫度變化對折射率影響的參數(shù), 石英的熱光系數(shù)大約等于 8.6×10?6[26],Ag 的熱光系數(shù)大約為 9.3×10?6[27], 之所以選擇乙醇作為填充材料是因為它的熱光系數(shù)和石英、Ag 相比大約高出兩個數(shù)量級, 在乙醇敏感的溫度條件下石英和銀的折射率幾乎不受影響. 仿真三維結(jié)構(gòu)對硬件的配置和網(wǎng)格的劃分有較高要求, 而三維結(jié)構(gòu)的磁場特性與二維結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生嚴(yán)重的分歧, 為節(jié)省內(nèi)存本文使用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行二維建模, 如圖1 (b)所示.d為波導(dǎo)寬度,H為內(nèi)外環(huán)之間的距離,L為正八邊環(huán)形的外邊長,w為波導(dǎo)和腔體之間的耦合距離.

SPWs 和傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)相比具有傳輸波不受尺寸限制的特點, 也就是說當(dāng)入射波長遠(yuǎn)大于狹縫寬度時SPPs 仍然能進(jìn)行傳輸. SPWs 的有效折射率由狹縫寬度、金屬和介質(zhì)的介電常數(shù)共同決定, 它們之間的關(guān)系可以由SPPs 色散關(guān)系式進(jìn)行表征. 電磁場的偏振態(tài)可分為TE 和TM 模式. 當(dāng)MIM 波 導(dǎo) 以TE 偏 振 光 入 射 時, 在Hx1=Hx2,Ey1=Ey2的 邊 界 條 件 下 解Maxwell 方 程 組, 得Ey(kz1+kz2)=0的結(jié)果. 這里kz1,kz2均為正值,得 出Ey1=Ey2=0 ,這 說 明MIM 波 導(dǎo) 內(nèi) 的SPPs 模式不能由TE 偏振光激發(fā). 而TM 偏振光作為MIM 波導(dǎo)SPPs 的激發(fā)光源, 波導(dǎo)內(nèi)也只存在橫向磁場的奇模式. 在以上的激發(fā)條件下, 以Hy1=Hy2,Ex1=Ex2為邊界條件解Maxwell 方程組得到TM 模式下SPPs 的色散方程[28?30]:

在(1)式中,εin=n2為介質(zhì)的介電常數(shù),εm(ω)=為銀的介電常數(shù)用Drude 模型表征[22,31],β為傳播常數(shù),k0=2π/λ為自由空間波長矢量,λ為入射光波長,d為波導(dǎo)寬度. 文中的介質(zhì)為乙醇, 乙醇的折射率隨著溫度變化的關(guān)系式如下[32]:

其中T0= 20 ℃為室溫,T為環(huán)境溫度, 有效折射率實部neff=Real(β/k0) . 利用Newton-Steffensen 迭代法對SPPs 色散方程(1)式進(jìn)行求解. 如圖2所示, 計算結(jié)果為有效折射率實部、入射波長和波導(dǎo)寬度的三維關(guān)系圖.

溫度傳感器是以透射峰共振波長的位移量來表征溫度的變化, 需要兩者之間存在嚴(yán)格的線性關(guān)系. 乙醇作為熱敏材料其熔點和沸點分別為–114和78.4 ℃, 決定了該溫度傳感器適合用作低溫傳感. 從圖2 (b)可以看出, 在該溫度傳感器適宜的溫度工作范圍( –100 — 60 ℃)內(nèi), 理想的波導(dǎo)寬度取值使溫度和有效折射率實部具有非常好的線性關(guān)系. 在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對稱的情況下除了TM0模式其他模式均存在波長截止現(xiàn)象, 表現(xiàn)為圖2 (a)中有效折射率的突變. 因此將波導(dǎo)寬度固定為50 nm, 以保證溫度與有效折射率實部之間具有良好的線性關(guān)系.

圖2 (a) T = 20 ℃時, 有效折射率實部與入射波長和波導(dǎo)寬度的關(guān)系圖; (b) d = 50 nm 時, 有效折射率實部與入射波長和溫度的關(guān)系圖Fig. 2. (a) The real part of neff as functions of wavelength and d when T = 20 ℃; (b) the real part of neff as functions of wavelength and T when d = 50 nm.

下面對該溫度傳感器的傳輸響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行研究. 波導(dǎo)S1 為入射波導(dǎo), S2 為出射波導(dǎo), 當(dāng)波導(dǎo)寬度d= 50 nm 時, TM 偏振光作為MIM 波導(dǎo)SPPs 的激發(fā)光源, 波導(dǎo)內(nèi)只存在橫向磁場的基模(TM0mode). 當(dāng)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)存在缺陷, 如波導(dǎo)有損耗、波導(dǎo)形狀有畸變、波導(dǎo)周圍出現(xiàn)共振腔體等,都會引起波導(dǎo)內(nèi)各模式之間或波導(dǎo)和共振腔體之間的能量交換, 這種能量交換就稱之為耦合. 該溫度傳感器的多模耦合就是基于正八邊環(huán)形共振腔和雙波導(dǎo)之間的能量轉(zhuǎn)換, 通過控制正八邊環(huán)形共振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制這種能量轉(zhuǎn)化以達(dá)到調(diào)諧的目的, 進(jìn)而最終實現(xiàn)對該溫度傳感器透射響應(yīng)系統(tǒng)的控制. 給出基于MICMT 理論[16]推導(dǎo)的透射率表達(dá)式:

在上述透射率簡化公式中, 總耦合相位差φn可近似地視為常數(shù).?n是第n個共振模式的輸出相位和輸入相位之差.τn0表示第n個模式的內(nèi)損耗衰減時間, 該系統(tǒng)波導(dǎo)S1 和波導(dǎo)S2 的寬度相等且對稱于共振腔體, 因此有τn=τn1=τn2,τn為波導(dǎo)和共振腔中第n個共振模之間耦合的衰減時間.φn1為波導(dǎo)S1 和共振腔中第n個共振模式的耦合相位.γn1為歸一化系數(shù)，這里γn1≈1.λ和λn0分別為入射波長和共振波長. 這里設(shè)置L=300 nm,H= 250 nm,w= 10 nm,d= 50 nm. 該系統(tǒng)的仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果對比如圖3 (a)所示. 值得注意的是, 由于波導(dǎo)內(nèi)不同模式之間也存在能量交換, 相鄰模式之間的影響最為突出. 所以為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性, 在Peak I 的左邊多取一個模式(λ0=660 nm )進(jìn)行分析(該模式未在文章中表示出來), 透射峰Peak I (λ10=714 nm ),Peak II (λ20=776 nm), Peak III (λ30=884 nm ),Peak IV (λ40=1212 nm)和Peak V (λ50=2234 nm )的磁場|Hz|分布如圖3 (b)—(f)所示. 從圖3 (b)—(f)中可以看出, 這五種模式在正八邊環(huán)形腔和波導(dǎo)中均出現(xiàn)駐波共振, 使得入射光可以通過共振腔并出射形成透射峰. 將Peak III 和Peak V 的磁場圖進(jìn)行比較, 可以看出Peak III 在腔體內(nèi)的磁場分布更弱, 在波導(dǎo)S2 內(nèi)的磁場分布更強, 而Peak V 的磁場分布恰恰相反. 這說明當(dāng)腔體內(nèi)的能量分得越多時, 出射波導(dǎo)的能量分得越少, 從而導(dǎo)致更小的透射峰幅值.

圖3 (a) 該溫度傳感器的透射率仿真值和理論值對比圖; (b) Peak I 的磁場分布圖, λ10 =714 nm ; (c) Peak II 的磁場分布圖,λ20 =776 nm; (d) Peak III 的磁場分布圖, λ30 =884 nm; (e) Peak IV 的磁場分布圖, λ40 =1212 nm ; (f) Peak V 的磁場分布圖,λ50 = 2234 nmFig. 3. (a) Comparison of the simulation and the theoretical results of transmittance of the temperature sensor; (b) the magnetic field |Hz|of peak I at λ10 =714 nm; (c) the magnetic field |Hz|of peak II at λ20 =776 nm; (d) the magnetic field |Hz| of peak III at λ30 =884 nm; (e) the magnetic field |Hz|of peak IV at λ40 =1212 nm; (f) the magnetic field |Hz| of peak V at λ50 =2234 nm .

3 結(jié)果與討論

下面將通過光譜分析研究該傳感器的溫度傳感特性. 當(dāng)參數(shù)設(shè)置為H = 250 nm, L = 300 nm,w = 10 nm, d = 50 nm 時. 圖4 (a)和圖4 (b)所示為溫度從60 ℃以步長40 ℃遞減到–100 ℃的透射光譜圖. 在690—2500 nm 范圍內(nèi)出現(xiàn)5 個透射峰: Peak I, Peak II, Peak III 在圖4(a)所示的690—1000 nm 范 圍 內(nèi); Peak IV, Peak V 在圖4(b)所示的1000—2500 nm 范圍內(nèi), 圖4(b)中的子圖表示透射峰Peak IV 的共振波長所在峰的放大圖. 由圖4 可知, 隨著溫度減小五個透射峰均出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象. 固定波導(dǎo)寬度, 乙醇的折射率隨溫度的降低而增加, 從而使得溫度傳感器的有效折射率增加, 如圖2 (b)所示. 溫度傳感器的有效折射率決定腔內(nèi)產(chǎn)生駐波共振的波長, 駐波共振波長發(fā)生變化促使透射光波長也發(fā)生變化, 表現(xiàn)出透射峰紅移的現(xiàn)象.

為了直觀地展示由溫度改變引起的傳感器性能變化, 給出每個透射峰隨溫度變化時的共振波長取值圖, 如圖(5)所示. 可以看出, 五個峰都與溫度具有極其良好的線性關(guān)系. 在–100—60℃之間取20 ℃為步長, 各個透射峰(依次為Peak I, Peak II, Peak III, Peak IV, Peak V)的位移量分別為4,5, 6, 7, 13 nm, 透射峰的共振波長和溫度之間存在嚴(yán)格的線性關(guān)系, 這種線性關(guān)系極大地確保了溫度測量的精準(zhǔn)性. 通過溫度傳感器的靈敏度定義式dλ/dT可以得出Peak I, Peak II, Peak III, Peak IV 和Peak V 的靈敏度分別為0.2, 0.25, 0.3, 0.35,0.65 nm/℃. Peak V 的靈敏度最高是因為電磁波具有波粒二象性, 且傳播的能量是光子能量的整數(shù)倍數(shù). 在總功率不變的情況下, 由光子能量大小計算式可知, 波長越大, 光子能量越小, 進(jìn)行能量傳輸?shù)墓庾訑?shù)量越多, 電磁傳播過程受介質(zhì)的影響越大. 所以當(dāng)溫度引起折射率變化時共振波的波長越大透射峰靈敏度越大.

圖4 溫度變化時該溫度傳感器的透射光譜圖 (a) 入射波長范圍為690—1100 nm, Peak I, Peak II, Peak III 在該 光 譜 范 圍 內(nèi); (b)入 射 波 長 范 圍 為1000—2500 nm,Peak IV, Peak V 在該光譜范圍內(nèi)Fig. 4. The transmission spectra of the temperature sensor under different T: (a) Peak I, Peak II and Peak III in the wavelength range of 690 nm to 1100 nm; (b) peak IV and Peak V in the wavelength range of 1000 nm to 2500 nm.

圖5 五個透射峰的共振波長與溫度T 的關(guān)系Fig. 5. The relationship between the resonance wavelength and T of the five transmission peaks.

由于SPPs 對波導(dǎo)尺寸具有敏感性, 接下來將研究參數(shù)H 和L 對該溫度傳感器光譜特性的影響.如圖6 (a)和圖6(b)所示, 在固定參數(shù)L 的情況下增大參數(shù)H, 透射峰Peak II, Peak III, Peak IV和Peak V 均發(fā)生了位移. 該現(xiàn)象可以通過磁場分析進(jìn)行解釋. 從圖3 (c)中可以看出, Peak II 的磁場能量主要沿著正八邊環(huán)形的內(nèi)環(huán)(簡稱為內(nèi)八邊形)一圈進(jìn)行均勻分布. 由此可見內(nèi)八邊形大小對該共振模式有很大的影響. 在固定L 的情況下, 隨著H 的增大, 內(nèi)八邊形被明顯壓縮使得分布在內(nèi)八邊形一圈的磁場也跟著明顯縮小, 繼而表現(xiàn)出明顯的波長位移. 以上述的方法對余下的三個透射峰進(jìn)行分析. 通過觀察Peak III, Peak IV 和Peak V 的磁場圖, 發(fā)現(xiàn)圖3 (d)的磁場主要分布在正八邊環(huán)形外環(huán)(簡稱為外八邊形)的上下四個角和左右兩個邊, 在內(nèi)八邊形四周幾乎沒有磁場分布. 同理對于圖3 (e), 磁場主要分布在上下左右四個邊上, 在內(nèi)八邊形四周只有微弱的磁場分布, 所以H 的變化對于透射峰的位移影響是微弱的. 而對于圖3 (f), 內(nèi)八邊形周圍的磁場分布是顯而易見的.隨著H 的增大, 內(nèi)八邊形被明顯壓縮, 磁場分布受內(nèi)八邊形尺寸的影響越大, 共振波長的位移越明顯. 由此可以預(yù)料到Peak V 的位移最明顯, Peak III 的位移最不明顯. 該預(yù)測結(jié)果和圖6 (a)和圖6 (b)中的仿真結(jié)果一致. 接下來將固定參數(shù)H 來討論L 對該系統(tǒng)透射峰的影響. 固定H 增大L 相當(dāng)于將正八邊環(huán)形等比例放大, 因此無論各個透射峰的磁場在共振腔中如何進(jìn)行分布, 磁場分布幾乎都是等比放大, 因此波長會出現(xiàn)等比位移的情況, 如圖6 (c)所示. 共振腔面積的增大還會導(dǎo)致更多的能量被吸收, 使得透射峰的振幅變小. 除了這些物理機理的解釋, 我們更關(guān)心參數(shù)對靈敏度的影響. 從圖6 (d)和圖6(e)中可以看出, 靈敏度隨著L 的增大而明顯增大, 隨著H 的增大而略微減小. 因此在合理范圍內(nèi)增大L 減小H 會提高該溫度傳感器的靈敏度.

圖6 改 變 參數(shù)H 的透射 譜 圖 (a) 在740—1025 nm 的入 射 波長下; (b) 在1000—2500 nm 的入 射 波 長下. (c) 在1000—3000 nm 的入射波長下, 改變參數(shù)L 的透射譜圖; (d) Peak V 和Peak IV 的靈敏度和參數(shù)H 的關(guān)系圖; (e) Peak V 和Peak IV 的靈敏度和參數(shù)L 的關(guān)系圖Fig. 6. The transmission spectra of the structure under different H: (a) In the wavelength range of 690 nm to 1100 nm; (b) in the wavelength range of 1000 nm to 2500 nm. (c) the transmission spectra of the structure under different L in the wavelength range of 1000 nm to 3000 nm; (d) the relationship between sensitivity of Peak V and Peak IV and parameter H; (e) the relationship between sensitivity of Peak V and Peak IV and parameter L.

增大L減小H都能提高溫度傳感器的靈敏度,但是不管是增大L還是減小H都會導(dǎo)致透射峰的振幅減小, 換言之, 靈敏度的增大是以犧牲透射峰的振幅為代價的. 因此怎樣既保證靈敏度不變又提高透射峰振幅是接下來要研究的內(nèi)容. 如圖7 (a)所示, 隨著耦合距離w值的減小, 4 個透射峰振幅均出現(xiàn)了明顯的增強, 這是因為波導(dǎo)和共振腔之間的耦合距離減小而導(dǎo)致光的耦合強度增大, 從而提高了光在波導(dǎo)和腔體之間能量傳輸?shù)哪芰? Peak V 的透射峰振幅在w= 5, 10 nm 時分別取0.59202,0.35116, 減小耦合距離, 透射峰振幅提高至1.686 倍. Peak IV 的 透 射 峰 振 幅 在w= 5, 10 nm 時分別取0.81618, 0.66506, 透射峰振幅提高至1.227 倍. 圖7 (c)為在不同入射波長情況下,5 個透射峰隨w變化的透射光譜圖, 從圖中更能直觀地看出隨著w的減小透射峰的透射強度在逐漸增強. 如圖7 (b)所示,T從20 ℃變化至–20 ℃, 無論w取5 nm 還是10 nm, Peak IV 的移動距離均為14 nm. 同樣, 如圖7 (d)所示, 在上述相同條件下,Peak V 的移動距離為26 nm. 這足以說明增大w不僅能提高透射峰振幅, 還能使靈敏度保持不變. 因為耦合距離w對靈敏度幾乎沒有影響, 所以在進(jìn)行工藝加工時微小的尺寸偏差不會對該傳感器的性能產(chǎn)生影響, 精度要求不高, 加工工藝的容錯度更高, 傳感器光電器件的魯棒性更好.

在對各個參數(shù)進(jìn)行分析后可以總結(jié)出H=220 nm,L= 360 nm,w= 5 nm,d= 50 nm 的最佳參數(shù)設(shè)置. 如圖8 (a)所示, 最佳參數(shù)設(shè)置下的溫 度 傳 感 器Peak V, Peak IV, Peak III, Peak II 和Peak I 這五個透射峰的靈敏度分別為0.9,0.45, 0.35, 0.2 和0.2 nm/℃. 如果將正八邊環(huán)形腔內(nèi)的乙醇換成其他介質(zhì)材料, 該傳感器還能用作折射率傳感. 如圖8 (b)所示, 作為折射率傳感器, 以上五個透射峰的靈敏度分別為2400, 1200, 800,600 和400 nm/RIU. 本文與其他已報道文獻(xiàn)的設(shè)計對比如表1 所列.

圖7 (a) 在不同的w 取值下的透射譜圖; (b) Peak IV 在w = 5 nm 和w = 10 nm 時溫度從20 ℃變到–20 ℃時共振峰位移量對比圖; (c) 在w 不同取值情況下隨入射波長變化的透射光譜圖; (d) Peak V 在w = 5 nm 和w = 10 nm 時溫度從20 ℃變到–20 ℃時共振峰位移量對比圖Fig. 7. (a) The transmission spectra of the structure under different w; (b) when the temperature changes from 20 ℃ to –20 ℃, the displacement of Peak IV at w = 5 nm and w = 10 nm; (c) the transmission spectra of the structure with different wavelength and w; (d) when the temperature changes from 20 ℃ to –20 ℃, the displacement of Peak V at w = 5 nm and w = 10 nm.

圖8 (a) 該系統(tǒng)作為溫度傳感器時, 在T = 20 ℃和T = –20 ℃下的透射譜圖; (b) 該系統(tǒng)作為折射率傳感器時, 在n = 1 和n = 1.01 下的透射譜圖Fig. 8. (a) When the system is used as a temperature sensor, the transmission spectra at T = 20 ℃ and T = –20 ℃; (b) when the system is used as a refractive index sensor, the transmission spectra at n = 1 and n = 1.01.

表1 各類溫度傳感器和折射率傳感器性能比較Table 1. Performance comparison of various temperature sensors and refractive index sensors.

品質(zhì)因子(figure of merit, FOM)是波長靈敏度與FWHM 的比值[31,33]. 從表1 可以看出, 該傳感器具有高靈敏度、高FOM 值、多工作峰、工作波段范圍廣、FWHM 窄的優(yōu)點. 而透射峰尖銳、波谷低、振幅高等其他優(yōu)點不僅為檢測提供了便利,更是提高了差動相減處理計算過程的準(zhǔn)確性. 比以往研究報道的同類MIM 波導(dǎo)溫度傳感器和折射率傳感器工作性能都全面[14,15,26,28].

4 結(jié) 論

本文使用有限元數(shù)值仿真法進(jìn)行了一種基于正八邊形乙醇密封共振腔的MIM 波導(dǎo)的SPPs 傳輸特性的研究. 研究結(jié)果表明該傳感器的五個透射峰均是由正八邊環(huán)形共振腔產(chǎn)生的共振引起的. 上述五個透射峰分別對應(yīng)五個不同的腔體共振模式.更大的參數(shù)L和更小的參數(shù)H設(shè)置會以犧牲透射峰振幅來提高傳感器的靈敏度, 且參數(shù)L和H可以對共振波長進(jìn)行調(diào)諧. 減小參數(shù)w會使光的耦合強度增大, 從而增強透射光的振幅, 用以彌補增強靈敏度帶來的振幅損耗. 并且w對靈敏度的不敏感特性大大降低了加工工藝的難度. 該結(jié)構(gòu)用作傳感器具有靈敏度高、FOM 值高、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成的優(yōu)點. 在理論上, 計算了乙醇作為熱敏材料合適的波導(dǎo)取值, 以保證共振波長位移和溫度之間的線性關(guān)系; 以MICMT 理論對該結(jié)構(gòu)的傳輸光譜進(jìn)行了研究, 理論結(jié)果和仿真結(jié)果高度一致. 在實際運用中, 可以使用鈮酸鋰等熱敏材料代替乙醇來制造固態(tài)設(shè)備. 今后我們還將考慮在正八邊環(huán)形腔中引入石墨烯條, 來實現(xiàn)靈敏度的動態(tài)可調(diào), 以及透射峰尖銳程度的進(jìn)一步提高, 這對高靈敏度、低誤差的溫度傳感器和折射率傳感器的研究具有較大意義.