基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段.采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注.Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器,以及光非互易性全光信号处理的性能.本综述分析了Fano共振的一般数学表述,总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状,讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法,比较各种方案优劣及适用场合,梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况.最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向.     

基于群论的晶格扰动介质纳米孔阵列多重Fano共振机理及演变

基于全介质超构材料独特的电磁属性,提出了一种晶格扰动介质纳米孔阵列超构表面来激发近红外区域的多重Fano共振.结合群论深入探究了该超构表面在其原胞为方形晶格构型与方形晶格对称性被破坏两情况下多重Fano共振的形成机理及演变规律.研究表明,在方形晶格超构表面中,外部辐射连续体分别与由正入射平面波直接激发的双重简并模式共振干涉形成双重Fano共振,且该共振与原胞中是否含孔及孔的形状无关,在晶格扰动超构表面中,原本不耦合的非简并模式由正入射平面波激发出来并与外部辐射连续体干涉形成Q值更高的三重Fano共振.进一步探讨了正入射平面波的xy极化方向对上述五重Fano共振的影响,结果表明,双重简并模式Fano共振偏振无关,三重非简并模式Fano共振偏振依赖.本文将为利用方形晶格构型的超构表面实现多重Fano共振的激发及演变提供有效的理论参考.     

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.     

Ag-Al纳米球二聚体的光学性质研究

金属纳米材料因其表面等离子体共振特性而备受关注。异质结构的金属纳米材料的光学特性相比于同质结构因其材料的不同破坏了原有结构的对称性,对称性的破坏将引起光学性质的改变,相邻两个颗粒之间的相互作用会产生Fano共振。Fano共振是由异质纳米结构的表面等离子体共振耦合引起的,通过合理地调控表面等离子体共振的耦合,将进一步调控Fano共振的强度同时促使异质结构的电场增强特性和辐射特性得到进一步优化。受金银等贵金属的带间跃迁影响,金属铝纳米材料成为研究紫外-近紫外光区的表面等离子体共振研究最佳选择。采用有限时域差分方法研究了Ag-Al纳米球二聚体的光学特性。研究了Ag和Al纳米球组成的二聚体的吸收光谱与入射光偏振方向、纳米球半径、颗粒间距和介质折射率等几何结构及物理参数的关系,并深入讨论了二聚体的局域场分布规律;讨论了获取更高效的Fano共振光谱的方法。由于材料的对称性被破坏,异质二聚体的光学性质与同质二聚体明显不同,Ag-Al异质纳米球二聚体呈现出在紫外和可见光区的双Fano共振现象。Ag-Al二聚体表面等离子体互相耦合引起Fano共振从而导致表面等离子体的共振抑制和增强。研究结果对在紫外-可见光区的表面等离子体应用、纳米光学器件的设计与开发及基于表面等离子体共振的表面增强光谱、生物传感和检测研究等有一定参考价值。     

等离子体纳米结构中的Fano共振效应及其应用

Fano共振效应是一种具有非对称线型的共振散射现象,起源于共振过程和非共振过程的量子干涉效应。近年来,在等离子体纳米结构中Fano共振现象也被发现,并成为纳米光子学的一个研究热点。等离子体Fano共振通常具有较窄的光谱线宽,且不能直接与入射光耦合,只能局域在近场,强的近场局域特性可以获得巨大的表面电磁场增强。由于等离子体Fano共振独特的光学特性,已经被应用到单分子探测、高灵敏度传感、增强光谱、完美吸收、电磁诱导透明和慢光光子学器件等众多领域当中。     

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。     

劈裂环-盘二聚体结构的多重Fano共振

利用时域有限差分方法,理论研究了由劈裂环和圆盘构成的金二聚体结构的光学性质,分析了劈裂环的缺口取向和对称性破缺程度对其Fano共振特性的影响.结果表明,当缺口方向平行于二聚体中心连线时,劈裂环的奇数阶和偶数阶模式均能与圆盘的偶极模式作用产生Fano共振,且随着劈裂环的进一步破缺,更多的偶数阶Fano共振能被激发出来;但当垂直时,不管劈裂环的缺口背对圆盘还是面向圆盘,二聚体仅有偶数阶Fano共振能被激发出来,且随着劈裂环内层中心远离圆盘而增强,随着劈裂环的进一步破缺,缺口背对圆盘的二聚体还能激发出多个奇数阶Fano共振,但同时也引起偶数阶Fano共振的减弱,而缺口面向圆盘的二聚体则仅发生偶数阶Fano共振的略微增大.这些结果可望对基于多重Fano共振的多波段光子器件设计有一定的参考意义.     

金纳米棒二聚体结构的Fano共振

等离激元金属纳米结构中的Fano共振，由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒，通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构，在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明，短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷，同时基于有限差分时域（FDTD）方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。     

三角缺口正三角形纳米结构的共振模式

设计了一个三角缺口三角形破缺纳米结构,它是从正三角形底边切掉一个三角切片所构成.应用离散偶极子近似方法研究了其消光光谱及表面电场分布.结果发现,该破缺纳米结构的消光光谱中出现了具有Fano共振的线形.分析表明,这个Fano共振线形是由绑定与反绑定混合表面等离激元模式相互作用所致.研究了三角缺口三角形纳米结构的结构参数对Fano共振的影响.     

二维电子波导/量子点结构中第二激发态对Fano共振的影响

本文用解析理论研究电子波导管/量子点系统中Fano共振透射问题.在第一能量窗口中考虑高激发态影响,发现共振透射率和峰位基本保持不变,但是远离共振区的透射率明显低于只考虑第一激发态的情况.在第二能量窗口中,入射波有两个本征模,两个入射模产生的Fano共振基本在同一个位置.每一个入射本征模都可激发起两个传播模,其中的Fano共振是由与入射模波矢一致的传播模产生的.外电势会以线性关系影响共振峰位.     

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。     

吸附位置对分子近藤效应的影响

文章报道了利用低温扫描隧道显微镜观察到磁性分子酞菁铁(iron phthalocyanine,FePc)在金属表面Au(111)上的近藤效应(Kondo effect).从实验上观察到两种由近藤效应引起的不同的Fano共振现象.通过理论模拟和分析,文章作者发现这两种Fano共振分别对应于不同的分子吸附位置.吸附位置不仅影响Fano共振的线型,而且还影响自旋电子的耦合强度,是调控金属表面磁性杂质自旋态的重要途径.     

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.     

二维正方排列圆柱状亥姆赫兹共振腔阵列局域共振声带隙的研究

通过对二维正方排列圆柱状亥姆赫兹共振腔阵列声性质的研究,指出局域共振型声子晶体中存在两类耦合作用, 即共振单元与基体的弱耦合作用及共振单元间的耦合作用.其中前一种耦合作用可以通过改变共振单元的品质因子而改变, 逐渐减小这种耦合作用可以实现从局域共振到布拉格共振的连续转变;后一种耦合是通过共振单元周围的近场耦合实现的, 通过减小共振单元的间距可以增大其耦合强度,因而增大带隙宽度,但带隙中波的衰减深度却是随这种耦合强度的增大而减小的.     

单挡板金属-电介质-金属波导耦合圆盘腔级联多Fano共振差动传感

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)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的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,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。     

基于回音壁微球腔的共振现象实验教学设计研究

大学物理实验教学是巩固理工科类专业学生大学物理基础知识、培养其实验方法和创新技能的重要教学手段。本文探讨了将当前热门研究课题回音壁微腔中蕴含的共振现象引入到大学物理实验教学中，利用回音壁微球腔中共振模式的测量实验开展完整、新颖的实验教学设计和实验流程，达到丰富大学物理实验教学内容，同时提高学生分析问题、动手实践和创新思维能力的教学目的。     

金-银纳米棒异质二聚体的Fano共振及其传感性质研究

本文我们通过有限时域差分法模拟研究了金-银纳米棒异质二聚体的光学等离子体耦合。在消光谱中,发现较短的银纳米棒产生的偶极明模式和较长的金纳米棒产生的四极暗模式产生了干涉相消耦合,从而出现了Fano共振。通过改变金属纳米棒的长度、距离和周围环境可以调控Fano共振的共振波长和强度。金-银纳米棒异质二聚体对周围环境变化具有较高的灵敏度,其品质因数大于8.5。由于金银异质体有比较好的抗腐蚀性和比较低的生物毒性,这使得它有望成为新一代基于表面等离子体Fano共振的生物传感器和分子探测器。     

D3h和D4h等离激元超分子的Fano共振光谱的 子集合分解解释

针对D_3h和D_4h对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理, 本文运用群论的方法做出了详细的分析研究. 运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法, 推导证实了在线偏振光入射时, D_nh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式, 增加中心颗粒会使模式增加1个. 对D_3h和D_4h等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明, Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量, 并形成相消干涉而产生. 这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.     

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。