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 RSoft 于表面电浆传感器之应用范例


使用工具:ModePROP、MOST

      诸如表面电浆子共振此类的表面现象在传感器技术中扮演十分重要的角色,因为在材料界面的电磁场行为可直接的对应到材料中的许多物理和化学特性。这种感测方式具有准确、非侵入性及可在实验室中或实验室外实时提供结果的优点。愈来愈多以表面电浆为基础的方法,被结合至较大型的系统中以侦测多样的特性,如温度及特定化合物的存在或浓度,被应用在医疗、工业及其他领域。

在各种应用中结合光学传感器,需要利用现存的半导体制造技术产生更小的传感器。而包括传感器等任一种光学装置的尺寸减少时,对于仿真软件的需求便会增加。

本范例中使用的结构基于参考文献[1]之中的描述。

结构概观

      此结构由一作用如典型 Mach-Zehnder 装置的小型 SOI 波导干涉仪所组成。一金薄板嵌入波导中,研究的材料可置于薄板上方,而硅波导及氧化物缓冲层位于下方。光自 SOI 波导入射至薄板,由传输模态耦合为两个表面电浆子模态,分别位于金属薄板的两侧。由于薄板两侧的折射率差异,两模态将具不同的传播常数使路径长度不同,因而在薄板的另一端干涉形成不同的功率输出,功率输出将可对应至测试材料的折射率及检测数值。

RSoft CAD 中所呈现的结构如图一。

模拟

      仿真的目标为了解功率输出与测试材料折射率间之关系,此目标可藉由MOST扫描测试的折射率范围及量测输出功率来完成。

图一 RSoft CAD 中所呈现的结构

 

单一测试折射率值之模拟结果

以折射率1.3为测试材料之模拟结果如下图所示,ModePROP 显示此折射率的传输率为 0.007。

 



扫描测试折射率

进一步,参数扫描可用于分析测试折射率与装置输出功率之关系。

利用MOST扫描测试折射率并记录装置的输出功率,扫描结果显示当相位偏移pi及两表面电浆子模态破坏性干涉时,具有极强的共振。

 


此结果显示被测材料之折射率变化量可由量测之输出功率值对照而得。

参考文献

[1] P. Debackere et all. Surface plasmon interferometer in silicon-on-insulator: novel concept for an integrated biosensor Optics Express 14, 7063 (2006)