MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究

摘要

表面等离极化激元（SPPs）为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波，其具有突破光衍射极限的能力，使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。随着研究的不断深入，基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。
　　基于金属-介质-金属(MIM)波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应，如Fano共振、电磁诱导透明。Fano共振效应是一种弱耦合作用，其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。因此，利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。本论文基于耦合模理论（CMT）和有限元方法(FEM)，研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象，并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器，主要工作简述如下:
　　1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构，利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性，结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057 nm/RIU，FOM值为1016。基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。此外，设计了两种衍生结构，在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰，进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。
　　2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构，采用有限元方法研究了该结构的传播特性，结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。该结构的Fano共振是由矩形谐振腔的宽谱共振和圆环形谐振腔的窄谱共振相互耦合叠加所产生，基于耦合模理论对Fano共振效应进行了分析。此外，研究了该结构的折射率传感特性，优化参数后，该结构的最大折射率灵敏度达到1125 nm/RIU。
　　3、设计了缺陷MIM波导耦合劈裂环形谐振腔结构，仿真结果表明该结构的透射光谱呈现为明显的非对称Fano共振线型。研究表明该Fano共振线型可通过改变结构参数实现调控，同时也探究了该结构Fano共振效应对折射率的敏感性，经优化后该耦合结构折射率灵敏度达1200 nm/RIU。
　　本文设计了三种MIM波导耦合谐振腔结构，分析了不同结构的光传播特性，上述工作可对基于MIM波导耦合谐振腔系统中实现Fano共振效应提供一定的参考。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 表面等离激元基本理论

1．2．1 表面等离激元基本概念

1．2．2 金属-介质霁面表面等离极化激元

1．2．3 表面等离激元的激发方式

1．2．4 金属色散模型

1．2．5 MIM波导体系中表面等离极化激元色散关系

1．3 基于MIM波导耦合谐振腔Fano共振传感特性研究现状

1．4 论文的主要研究内容

2 有限元仿真方法及耦合模理论

2．1 有限元方法介绍

2．2 有限元法的基本原理

2．3 有限元分析软件COMSOL Multiphysics及其建模

2．4 耦合模理论

2．5 折射率传感特性的表征方法

2．6 本章小结

3 MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构Fano共振效应及传感特性

3．1 结构模型和耦合模理论

3．2 MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构传播特性和结果分析

3．3 结构参数对MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔传播特性的影响

3．4 MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔衍生结构传播特性分析

3．4．1 增加下齿形谐振腔引起的的多重Fano共振效应

3．4．2 上下双齿形和圆环形谐振腔结构多重Fano共振效应

3．5 本章小结

4 MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构Fano共振效应及折射率传感

4．1 结构模型和耦合模理论

4．2 结果分析和讨论

4．3 结构参数对透射光谱的影响

4．4 本章小结

5 缺陷MIM波导耦合劈裂环形谐振腔结构传播特性及折射率传感

5．1 结构模型

5．2 结果分析和讨论

5．3 结构参数对透射光谱的影晌

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢