带有开口方环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500nm/RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。     

带有T型腔的MIM波导的法诺共振特性研究

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM),数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理,由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外,研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料,利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性,可以在Fano峰值附近实现约0.025ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。     

基于同心纳米圆环谐振腔的MIM波导的PIA特性研究

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW),其中外侧是一个完整的环形谐振腔,而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现,当缺口宽度θ=5°,位置φ=45°时,会在波长674nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption,PIA)现象。基于此,首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用,研究结果表明,其灵敏度超过600nm/RIU,最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性,在PIA传输谷处会产生约-0.081ps的光学延迟,意味着较大的异常色散和快光效应,而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045ps和0.043ps的光学延迟,意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.     

含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔Fano共振慢光特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。     

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

侧耦合谐振腔的多重独立可调谐Fano共振传感特性

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。     

基于MIM谐振腔内嵌金属方芯结构的可调谐Fano共振

设计了一种由内嵌金属方芯的金属-绝缘体-金属方形气腔以及两个侧耦合波导组成的耦合结构,并采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:通过对气腔内金属方芯偏离角和偏离距离的调节可以获得并调制Fano共振;该Fano共振由对称破缺或几何效应影响左右波导和谐振腔之间耦合区域中的场分布强度所致,场分布模式的变化是由波导模和腔模之间的干涉引起的.此外,Fano共振的光谱位置和调制深度对偏差参数十分敏感,通过计算不同偏差角及偏差距离下的折射率传感特性发现,其折射率敏感度最高达1 508nm/RIU,品质因数最高达1 308.研究结果为设计更加灵活、简单、高效的片上等离子体纳米传感器提供了理论依据.     

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10~4,共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10~4.该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

基于L形谐振腔MIM波导结构滤波特性的研究

设计了一种基于表面等离极化激元金属-介质-金属的L形谐振腔波导结构,并应用有限元方法研究了该结构的传输特性。数值计算结果表明,透射光谱中出现了明显的阻带,其滤波特性强烈地依赖于L形谐振腔结构的尺寸。相比于同尺度的水平放置的矩形谐振腔,L形谐振腔结构具有更高的品质因子,滤波效果更佳。随着L形谐振腔结构尺寸的增大,透射光谱发生红移;在L形谐振腔中充入折射率不同的介质,根据表面等离极化激元共振对L形谐振腔内折射率变化敏感特性,通过探测透射光谱中共振波长来探测介质折射率,该结构可广泛用于传感器方面。     

双Loop-Stub侧边耦合波导结构多重等离激元诱导透明效应的数值分析

研究同侧、异侧和反对称双loop-stub(LS)谐振腔侧边耦合波导结构中的多重类电磁诱导透明效应,并利用有限元方法分别对这三种结构的光学透射特性进行数值模拟。结果表明,这三种结构的透射谱、磁场分布和色散强烈地依赖结构参数。着重讨论双LS谐振腔相邻两个stub腔的距离或两个水平分支的距离对透射特性的影响。随着距离的减小,两个LS腔之间的耦合增强,出现多个透射峰和透射谷(即阻带),多重类电磁诱导透明效应显著。此外,讨论了同侧双LS腔波导结构相邻两个stub腔的距离为零时,竖直分支宽度、水平分支宽度、总水平分支长度等参数对透射谱的影响。侧边耦合金属纳米波导结构在未来的集成光学有潜在的应用价值,如滤波器、传感器和慢光装置等。     

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3 028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。     

基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析

为了获得较大的尖锐度,提升微环传感器的灵敏度,提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱,眼型谐振腔由一个外环和内环构成,外环与总线波导耦合,内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算,在不同剩余电场比例系数下,发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数,其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大,尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在-6dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰,可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数,降低器件对耦合区加工准确度的要求.     

单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘腔结构。由圆盘腔形成的两个孤立态与金属挡板形成的较宽的连续态干涉相消,形成两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论分析了该结构形成Fano共振的传输特性,用有限元分析法对结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明:优化后的结构在两种模式下的优质因子分别为1.7×105和1.36×105,折射率灵敏度分别为710nm/RIU和1105nm/RIU,可为解决传感器在折射率测量时的交叉敏感问题提供理论参考。     

基于单挡板的MDM波导侧向耦合谐振腔的Fano共振及传感特性

基于表面等离激元提出了一种含金属挡板的波导侧向耦合谐振腔系统。当入射光从波导的入射端进入到该结构时,谐振腔会形成较窄的离散带,金属挡板会产生较宽的连续态,较窄的离散态与较宽的连续态发生干涉时,形成两种不同模式的Fano共振谱线。采用时域有限差分法对该结构的传输特性进行了仿真计算,分别研究了结构的磁场分布、电场分布、透射特性和传感性能,根据磁场分布图和电场分布图可更好地解释Fano共振的形成机理。仿真数据分析结果表明,几何参数与介质折射率可以调节结构的传输性能。最后对结构的几何参数进行了优化处理,得到了在最优参数下,该结构产生的两个Fano共振的品质因数分别为4.502×10⁵和1.967×10⁵,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1 400 nm/RIU,均达到了较高的数值,具有良好的传感性能。所设计的耦合结构可为提高微纳光学传感器的性能提供一种可行的途径。     

基于石墨烯的光波导结构中的等离子体诱导透明研究

本文提出了两种新型的基于石墨烯的表面等离子体光波导(GSPW),结构由单层石墨烯直波导与侧耦合的石墨烯环形谐振腔和条形谐振腔构成,利用有限元法(finite element method,FEM)对GSPW中呈现出的等离子体诱导透明(plasmon induced transparency,PIT)现象及其慢光效应进行了研究,结果表明,传输谱中出现的PIT透明窗口峰值传输率可达到80%以上,而其两侧的传输谷值接近于0,并且PIT峰值附近的最大群折射率在112左右,具有很好的滤波特性与慢光特性。透明窗口在不改变几何结构的情况下还可通过石墨烯化学势的改变而动态调制,因此,该结构在今后基于石墨烯的高密度集成表面等离子体光波导器件的设计中具有重要的借鉴作用。     

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.