一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔

摘要

本发明公开了一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔。本发明采用在MIM波导中的分支谐振腔和两个挡板的耦合谐振腔，不同的谐振腔互相耦合，产生陡的非对称的响应谱线型，得到法诺共振现象。在这种透过谱中，透过率能够迅速地从非对称的光谱的波谷上升至波峰。从而，在得到相同的开关对比度的情况下，所需的波长偏移或间隔比单一的谐振腔内产生的对称的类洛伦兹线型的谱宽小得多，从而有利于降低表面等离激元调制器的泵浦能量的阈值，或增加表面等离激元波分复用器的波长分辨率及生物传感器的灵敏度。因此本发明的金属-介质耦合谐振腔在表面等离激元调制器、分束器、波分复用器以及传感器等领域均有非常重要的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，具体涉及一种产生法诺共振现象的金属-介质 耦合谐振腔。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）SPPs是目前纳米光子学研究中 的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子 耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，可以通过求解在金属 -介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光 场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，可突破传统光学的衍射极限，同时 还拥有局域场增强效应。因此，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。

目前，由于表面等离激元波导能够突破光的衍射极限而引起了极大地关注， 并被认为是在亚波长结构中最有希望的替代者。在多种多样的表面等离激元波导 中，在金属-介质-金属MIM波导中的表面等离激元SPP模式，能够极大地突破传 统的衍射极限，并具有比较长的传播距离、小的弯曲损耗和样品加工的简易性。 因此，MIM波导对实现高集成光子学回路具有很重要的应用前景。基于MIM波 导，人们设计并实现了很多紧凑的表面等离激元光子器件，例如：滤波器、环形 谐振腔、分束器和波分复用器。然而，这些单一的谐振腔典型地体现为具有几乎 对称的类洛伦兹线型。为了得到高对比度的调制、波长滤波、分束和波分复用等 光子器件，波长的偏移或间隔必须远大于谐振腔的带宽，从而严重限制了这些表 面等离激元功能器件的应用。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种能产生法诺共振现象 的金属-介质耦合谐振腔。通过耦合谐振腔效应，得到陡的非对称的响应谱线型， 即法诺共振现象，从而显著地提高表面等离激元功能器件的性能。

本发明的目的在于提供一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔。

本发明的金属-介质耦合谐振腔包括：金属-介质-金属MIM波导、以及在 MIM波导内的分支谐振腔和两个挡板；其中，MIM波导为三层平板结构，第一 层和第三层为金属材料，二者之间为介质层；分支谐振腔从侧面耦合在金属-介 质-金属MIM波导的介质层上；两个挡板垂直设置在介质层内，并分别位于分支 谐振腔的两侧。

MIM波导的第一层和第三层采用金或银等金属。介质层的厚度h在10纳米 至1微米之间。在MIM波导中，表面等离激元场强能很好的束缚在介质层里， 能极大的突破衍射极限，达到深亚波长尺寸。

分支谐振腔从侧面耦合在MIM波导的介质层上。由电磁场理论可知，在具 有一定边界条件的谐振腔内，电磁场只能存在一系列离散的本征模式，通过麦克 斯韦（Maxwell）方程组及边界条件或商用软件（Comsol Multiphysics，有限元 矩阵法FDTD等）可求得在谐振腔内的共振模式。

分支谐振腔的剖面为矩形，长度d在100nm～1000nm之间；宽度w在 10nm~1000nm之间。分支谐振腔和介质层为相同的介质。这种单一的分支谐振 腔典型地体现出具有几乎对称的类洛伦兹线型的宽带透过谱。基于单一的分支谐 振腔效果的应用，这种线型极大地限制了表面等离激元分束器和波分复用器的波 长分辨率（大于200nm）。为了解决这个问题，在MIM波导中增加两个挡板， 形成耦合谐振腔。

两个挡板的材料采用高折射率的介质或金属。挡板的厚度为1nm~100nm。 在只有两个挡板而没有分支谐振腔的MIM结构中，很容易得到表面等离激元 SPPs会在这两个挡板之间来回反射，从而形成一个法布里-珀罗谐振腔 （Fabry-Perot）FP谐振腔。

在同时具有挡板和分支谐振腔的MIM结构中，不同的谐振腔互相耦合，极 大地影响透过谱，产生陡的非对称的响应谱线型，得到法诺共振现象。

由于这种透过谱具有产生法诺共振现象的陡的非对称的响应谱线型，透过率 能够迅速地从非对称的光谱的波谷上升至波峰。在得到相同的开关对比度情况下， 这种非对称响应谱线型所需的波长偏移或间隔比在单一的谐振腔内产生的对称 的类洛伦兹线型的谱宽小得多，从而有利于降低表面等离激元调制器的泵浦能量 的阈值，或增加表面等离激元波分复用器的波长分辨率及生物传感器的灵敏度。 因此这种陡的非对称的响应谱线型在表面等离激元调制器、分束器、波分复用器 以及传感器等领域均有非常重要的应用。

本发明的优点：

本发明采用在MIM波导中的分支谐振腔和两个挡板的耦合谐振腔，不同的 谐振腔互相耦合，产生陡的非对称的响应谱线型，得到法诺共振现象。在这种透 过谱中，透过率能够迅速地从非对称的光谱的波谷上升至波峰。从而，在得到相 同的开关对比度的情况下，所需的波长偏移或间隔比单一的谐振腔内产生的对称 的类洛伦兹线型的谱宽小得多，从而有利于降低表面等离激元调制器的泵浦能量 的阈值，或增加表面等离激元波分复用器的波长分辨率及生物传感器的灵敏度。 因此本发明的金属-介质耦合谐振腔在表面等离激元调制器、分束器、波分复用 器以及传感器等领域均有非常重要的应用。

附图说明

图1为本发明的产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔的剖面图；

图2（a）和（b）分别为本发明的产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔在 L₁=L₂=L=110nm和L₁=L₂=L=200nm下的透过谱。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔包括：金 属-介质-金属MIM波导、以及在MIM波导内的分支谐振腔4和两个挡板5；其 中，MIM波导为三层平板结构，第一层1和第三层3为金属材料，二者之间为 介质层2；分支谐振腔4从侧面耦合在金属-介质-金属MIM波导的介质层2；两 个挡板5垂直设置在介质层2内，并分别位于分支谐振腔4的两侧；分支谐振腔 4和介质层2为相同的介质；为二维结构。

在本实施例中，MIM波导的第一层1和第三层3的金属为银，介质层2和 分支谐振腔的介质为空气，两个挡板5为金属银Ag。

为了研究这种耦合效果，采用有限元法（finite element method）FEM和传输 矩阵理论进行数值和解析计算。

在本实施例中，挡板采用银Ag；MIM波导的介质层的厚度h=50nm；分支 谐振腔的长度d和宽度w分别为d=500nm和w=50nm。这种结构参数的选择是 任意的，FP谐振腔的几何参数可调，从而可以达到期望的波长。SPPs的透过谱 定义为具有分支谐振腔和两个挡板的结构与没有这种结构的观察点的能流的商。 能流通过在通道的横截面的玻印亭矢量归一化得到。通过改变输入波长λ得到透 过谱。可以从文献中获得以λ为函数的Ag的电介常数，并且利用插值法将其扩 展。

基于散射矩阵理论的分析模型用来描述和解释本发明的在耦合谐振腔中的 透过谱。

如图2（a）和（b）所示，第一个挡板位于分支谐振腔的距离L₁，第二个挡 板位于分支谐振腔的距离L₂，两个挡板的厚度分别为t₁和t₂，当L₁=L₂=L=110nm 和L₁=L₂=L=200nm，t₁＝t₂=10nm时，在耦合谐振腔中显示出陡的非对称的响应谱 线型，产生法诺共振现象，在图2中以实线表示，与在单一的分支谐振腔中的透 过谱的线型相比完全不同。在单一的分支谐振腔中的透过谱的线型为几乎对称的 类洛伦兹线型，在图2中以虚线表示，共振波长λ₀=970nm，带宽Δλ_FWHM≈180nm。 同样可以看到，在耦合谐振腔中，透过谱能够迅速地从非对称的光谱的波谷上升 至波峰。而且，光谱的波谷的位置固定在λ₀=970nm，也就是分支谐振腔的共振 波长；而光谱的波峰的位置随着两个挡板的位置的改变而改变。因此，通过改变 两个挡板的位置，能够很容易调制陡的非对称的响应谱线型。

在MIM波导中，只设置有两个挡板而没有分支谐振腔，可以看到，两个挡 板的光谱（在图2中以点实线表示）包括平坦的光谱和类洛伦兹共振峰，保持了 耦合谐振腔的透过谱中除了非对称部分的光谱性质，如图2（a）和（b）中白色 的部分所示。

在耦合谐振腔中的非对称的响应谱线型是由分支谐振腔和形成在内部的FP 谐振腔的共振波长的相对位置决定的。

由于这种具有产生法诺共振现象的陡的非对称的响应谱线型的透过谱能够使 透过率迅速地从非对称的光谱的波谷上升至波峰，在得到相同的开关对比度情况 下，这种非对称响应谱线型所需的波长偏移或间隔，比在单一的谐振腔内产生的 对称的类洛伦兹线型的谱宽小得多。例如，当挡板的位置L₁=L₂=L=110nm，对 于相同的开关对比度（0%~61%），法诺共振所需的波长偏移为Δλ=30nm，比具 有对称的类洛伦兹线型的响应谱的波长偏移（Δλ′=110nm）小得多，如图2（a） 所示。而且，对于L₁=L₂=L=110nm，当波长位移同为Δλ=30nm时，在单一的谐 振腔情况下，开关对比度为0%~9%，而在本发明的谐振腔中，对比度为0%~61%， 是传统情况下的7倍。这有利于降低表面等离激元调制器的泵浦能量阈值，或增 加表面等离激元波分复用器的波长分辨率及生物传感器的灵敏度。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是 本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内， 各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本 发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。