耦合半圆环谐振空腔的双重Fano共振特性
发布时间：2021-08-02 10:11
基于表面等离激元提出一种由半圆环谐振空腔、挡板及直波导构成的金属-介质-金属波导结构。当入射光波进入该波导结构时,半圆环谐振腔形成两个较窄的离散态与金属挡板形成较宽的连续态发生干涉效应,并形成两个尖锐非对称的共振谱,即两种模式的Fano共振。运用耦合模式理论和有限元分析方法对结构的传输谱特性进行数值仿真分析,研究结构参数和介质折射率参数对传输品质因数和敏感度特性的影响。通过对结构参数进行优化分析,发现可通过改变结构参数对系统的性能进行灵活的调节和优化,并得到两个模式下的品质因数分别为3.05×105和4.59×105,对应的灵敏度分别为800nm/RIU和1160nm/RIU（RIU为折射率单元）。这种灵活的双重Fano共振结构在纳米生物传感器、非线性光学和慢光研究中具有一定的应用价值。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(13)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
耦合半圆环谐振空腔结构
由（7）式可以看到，无挡板时（t=1,r=0),1/τo1、1/τo2、1/τe1和1/τe2均为常数，且远小于j（ω-ω1,2）（ω≠ω1,2），此时，透射率比较大，在ω变化过程中，当ω值等于或接近ω1,2时，透射率曲线急剧下降，形成两个较窄的洛伦兹共振线谱，即两种模式的离散谱，如图2(a）虚线所示；只有挡板没有空腔时，产生了具有较低透射率的连续谱，如图2(a）实线所示。当挡板和半圆环谐振腔同时存在时，两个低阶离散状态与一个连续态相互耦合使系统产生两种模式的Fano共振峰（定义为FR1和FR2），如图2(b）所示，波长λ在794nm和1150nm处的两个共振峰的透射率分别为0.73和0.49。在半圆环谐振腔内，定义一个周期内光波传播的相位变化为Δφ=4πneffLeff/λ+2φ，其中Leff=(3.5+π）R-(2+0.5π）d近似表示空腔的有效长度，φ表示在金属-介质界面因SPPs反射引起的相位变化，k0=2π/λ0表示自由空间波数，λ0表示光在真空中的波长，neff=β/k0表示有效折射率，β为SPPs相位传播常数，λ为共振波长。当Δφ=2iπ（i=0,1,2,3，…）时，空腔内可形成稳定的驻波，正整数i表示驻波SPPs的波腹数目，故λ[30-31]可表示为
通过透射谱的两个波峰和两个波谷处的磁场分布，来更深入地了解Fano共振的形成机制，如图3所示，这里为归一化的磁场分布。图3(a）和3(d）为半圆环谐振空腔波导结构在两个共振峰波长为794nm处和1150nm处的稳态磁场分布，此时磁场主要分布在谐振腔内，并分别形成了两种不同模式的波腹，这两种高阶谐振模式在半圆环谐振腔内被激发，很难泄漏到MIM波导中，这在等离子谐振器中产生了一个强烈的捕获共振，并在传输光谱中产生了尖锐非对称的Fano共振线形。图3(b）和3(c）分别为半圆环谐振空腔波导结构在两个共振波谷波长为852nm处和1100nm处的稳态磁场分布，光波在半圆环腔内被反射后传输到波导中，与在波导管传播的光波相位相反，此时发生相消干涉，使得电磁波大量集中在入射端处，因此出现零透射现象。3 系统传输特性分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体共振成像检测桃胶多糖与半乳糖凝集素-3的相互作用[J]. 帅玉环,齐攀,李莹,胡翠英,蔡梦洁,冉艳红,李仕萍,钟金钢. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[2]含矩形腔的MIM波导耦合T型腔结构Fano共振传感特性研究[J]. 陈颖,许扬眉,高新贝,曹景刚,谢进朝,朱奇光,李少华. 中国激光. 2019(01)
[3]单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究[J]. 韩帅涛,陈颖,邸远见,何磊,崔行宁,朱奇光,李少华. 光学学报. 2018(10)
[4]基于耦合开口方环共振空腔的可控法诺共振研究[J]. 石悦,张冠茂,安厚霖,胡南,顾梦琪. 光子学报. 2017(04)
[5]基于金属-电介质-金属波导结构的等离子体滤波器的数值研究[J]. 杨韵茹,关建飞. 物理学报. 2016(05)
[6]基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析[J]. 娄小伟,崔锦江,董宁宁,徐建根,檀慧明,王帆. 光子学报. 2015(01)
[7]金属-绝缘体-金属布喇格反射腔的窄带滤波研究[J]. 钟晓岚. 光子学报. 2011(04)
本文编号：3317378
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(13)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
耦合半圆环谐振空腔结构
由（7）式可以看到，无挡板时（t=1,r=0),1/τo1、1/τo2、1/τe1和1/τe2均为常数，且远小于j（ω-ω1,2）（ω≠ω1,2），此时，透射率比较大，在ω变化过程中，当ω值等于或接近ω1,2时，透射率曲线急剧下降，形成两个较窄的洛伦兹共振线谱，即两种模式的离散谱，如图2(a）虚线所示；只有挡板没有空腔时，产生了具有较低透射率的连续谱，如图2(a）实线所示。当挡板和半圆环谐振腔同时存在时，两个低阶离散状态与一个连续态相互耦合使系统产生两种模式的Fano共振峰（定义为FR1和FR2），如图2(b）所示，波长λ在794nm和1150nm处的两个共振峰的透射率分别为0.73和0.49。在半圆环谐振腔内，定义一个周期内光波传播的相位变化为Δφ=4πneffLeff/λ+2φ，其中Leff=(3.5+π）R-(2+0.5π）d近似表示空腔的有效长度，φ表示在金属-介质界面因SPPs反射引起的相位变化，k0=2π/λ0表示自由空间波数，λ0表示光在真空中的波长，neff=β/k0表示有效折射率，β为SPPs相位传播常数，λ为共振波长。当Δφ=2iπ（i=0,1,2,3，…）时，空腔内可形成稳定的驻波，正整数i表示驻波SPPs的波腹数目，故λ[30-31]可表示为
通过透射谱的两个波峰和两个波谷处的磁场分布，来更深入地了解Fano共振的形成机制，如图3所示，这里为归一化的磁场分布。图3(a）和3(d）为半圆环谐振空腔波导结构在两个共振峰波长为794nm处和1150nm处的稳态磁场分布，此时磁场主要分布在谐振腔内，并分别形成了两种不同模式的波腹，这两种高阶谐振模式在半圆环谐振腔内被激发，很难泄漏到MIM波导中，这在等离子谐振器中产生了一个强烈的捕获共振，并在传输光谱中产生了尖锐非对称的Fano共振线形。图3(b）和3(c）分别为半圆环谐振空腔波导结构在两个共振波谷波长为852nm处和1100nm处的稳态磁场分布，光波在半圆环腔内被反射后传输到波导中，与在波导管传播的光波相位相反，此时发生相消干涉，使得电磁波大量集中在入射端处，因此出现零透射现象。3 系统传输特性分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离子体共振成像检测桃胶多糖与半乳糖凝集素-3的相互作用[J]. 帅玉环,齐攀,李莹,胡翠英,蔡梦洁,冉艳红,李仕萍,钟金钢. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[2]含矩形腔的MIM波导耦合T型腔结构Fano共振传感特性研究[J]. 陈颖,许扬眉,高新贝,曹景刚,谢进朝,朱奇光,李少华. 中国激光. 2019(01)
[3]单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究[J]. 韩帅涛,陈颖,邸远见,何磊,崔行宁,朱奇光,李少华. 光学学报. 2018(10)
[4]基于耦合开口方环共振空腔的可控法诺共振研究[J]. 石悦,张冠茂,安厚霖,胡南,顾梦琪. 光子学报. 2017(04)
[5]基于金属-电介质-金属波导结构的等离子体滤波器的数值研究[J]. 杨韵茹,关建飞. 物理学报. 2016(05)
[6]基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析[J]. 娄小伟,崔锦江,董宁宁,徐建根,檀慧明,王帆. 光子学报. 2015(01)
[7]金属-绝缘体-金属布喇格反射腔的窄带滤波研究[J]. 钟晓岚. 光子学报. 2011(04)
本文编号：3317378
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