Fundamental法を導入したADI-BPMによる導波路型光吸収SPRセンサの三次元解析

摘要

An absorption-based surface plasmon resonance (SPR) waveguide sensor is numerically investigated for detecting a change in the imaginary part of a refractive index using the alternating-direction implicit beam-propagation method with a fundamental scheme (FADI-BPM). We first apply the fundamental scheme to the ADI-BPM. Numerical results reveal that the computation time and memory requirements are reduced to about 80%. Using the FADI-BPM, we analyze the SPR waveguide sensor consisting of a semi-embedded core which supports only a single mode. Measuring the minimum output power, we detect a change in the imaginary part of the refractive index. Next, we modify the waveguide structure for improving its performance. An improved sensitivity is obtained using the waveguide structure with an embedded core being wide enough to support higher-order modes. Finally, we also investigate the detection of a change in the real part. It is seen that the maximal absorption wavelength shifts towards the long wavelength by 5 nm, when the real part is increased from 1.330 to 1.334.%屈折率の虚部変化を感知する導波路型光吸収表面ブラズモン共鳴(SPR)センサを，Fundamental法を導入した交互方向陰解法に基づくビーム伝搬法（FADI-BPM)を用いて解析する.まず，Fundamental法をADI-BPMに導入し，微分項の計算を削減した簡素な定式化を提案する.その際，従来手法と等価でありながら計算時間，メモリ使用量を約20%低減できることを示す.提案した計算手法を用いて，はじめに半埋め込みコアで単一モード伝搬の導波構造を有するSPRセンサを検討する.屈折率の実部を固定し，虚部のみを変化させた際の出力パワーの波長特性を示す.最小出力パワーの変化を検知することで，導波路型SPRセンサが屈折率の虛部変化を感知するセンサとして利用できることを明らかにする，次に，測定感度の向上を目的とし，導波構造の検討を行う.コア幅を広げ，加えてコァを基板に埋め込むことで最小出力パワーの変化が大きくなり，結果として測定感度の向上することを示す.最後に，屈折率の実部が変化する場合についても検討する.屈折率の虚部を0.01に固定し実部を1.330〜1.334に変化させた際，最大吸収波長が5 nmシフトすることを示す.