基于Fano共振的等离子体折射率纳米传感器
发布时间：2021-11-25 13:11
设计了一种基于Fano共振的等离子体折射率纳米传感器,传感器由带存根谐振腔的直波导耦合开口方环谐振器组成。使用有限元分析法研究了该传感器结构的传输特性,并分析了结构参数对系统传感特性的影响。计算结果表明该结构可以激发Fano共振,且共振峰的位置和线型可以通过改变关键参数进行调节。通过调整结构参数,该结构的灵敏度值可以达到1125.7nm/RIU,品质因数为30.01。该结构在光学集成回路方面具有潜在的应用前景,尤其是在纳米生物传感器方面。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
传感器系统、仅有存根的MIM波导、SSR的透射光谱
由SSR、带存根谐振腔的MIM波导组成的二维平面波导结构如图1所示。该结构在实验制备过程中，可以采用电子束曝光和剥离工艺制作。制作步骤为：1）衬底上镀一层金属层，衬底可以选用SiO2等非吸收性材料；2）利用电子束曝光和剥离工艺在金属层上刻蚀出上述波导结构。通过建立基于FEM的几何分析模型探究其光学响应特性。MIM波导、SSR的宽度w=50nm，以确保仅支持基本横向磁模（TM0)[28]。通过在规则方环上引入一个分裂过程得到SSR,l为SSR分裂的宽度，分裂的方向由x轴和分裂中心之间的夹角θ（这里是0°）来定义，如图1所示。a和b分别为SSR的长度和宽度，d和h分别为MIM波导中加入的存根宽度和高度，g为耦合距离。为了分析耦合结构的光学响应特性，使用COMSOL软件建立几何分析模型。模拟中采用较细化的任意三角形进行网格剖分，设置了银的相对介电常数、空气的折射率等相关计算参量，并采用完美匹配层包裹整个结构，使面光源从入射端口自左向右平行入射，在输出端口监测输出，求解偏微分方程，进行仿真计算，得到耦合结构在不同入射光频率下的透射谱。透射率可以表示为T=(S21)2，其中S21为输入口P1到输出口P2的透射系数。
模拟中，首先研究分裂在MIM波导环中的作用，并分别计算完整方环与MIM波导耦合的透射谱和SSR与MIM波导耦合的透射谱。SSR的结构参数分别为：a=300nm；θ=0°；b=240nm。耦合SSR和完整方环谐振器的透射光谱的比较如图2所示。与完整环相比，SSR透射谱在波长λ=805nm处出现了新的共振模式。为了理解传输特性，图2中插入了侧耦合SSR的波导结构在谐振波长处的磁场分布。如图2插图所示，磁场分布表现出不同的对称性。波长λ=1175nm时，磁场分布是关于开口呈轴对称的，场分布中有2个节点。波长λ=805nm时，磁场分布关于开口轴是不对称的，场分布中有3个节点。因此，根据磁场的对称性，可以将SSR的共振模式分为对称模式和非对称模式，这两个共振波谷分别对应m=1的对称模（λ=1175nm）和m’=1的非对称模（λ=805nm)[30]。我们把新出现的共振模式归因于结构的对称性破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性[J]. 陈颖,曹景刚,许扬眉,高新贝,谢进朝,唐心亮,李少华. 中国激光. 2019(02)
[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]内嵌矩形金属块纳米圆盘结构等离子体多通道波分复用器研究[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,李海鸥,张法碧,孙堂友. 光学学报. 2018(12)
[4]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[J]. 陈颖,罗佩,田亚宁,刘晓飞,赵志勇,朱奇光. 光学学报. 2017(09)
[5]铝纳米颗粒表面等离子体共振峰可控性研究[J]. 马守宝,刘琼,钱晓晨,洪瑞金,陶春先. 光学学报. 2017(09)
本文编号：3518208
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
传感器系统、仅有存根的MIM波导、SSR的透射光谱
由SSR、带存根谐振腔的MIM波导组成的二维平面波导结构如图1所示。该结构在实验制备过程中，可以采用电子束曝光和剥离工艺制作。制作步骤为：1）衬底上镀一层金属层，衬底可以选用SiO2等非吸收性材料；2）利用电子束曝光和剥离工艺在金属层上刻蚀出上述波导结构。通过建立基于FEM的几何分析模型探究其光学响应特性。MIM波导、SSR的宽度w=50nm，以确保仅支持基本横向磁模（TM0)[28]。通过在规则方环上引入一个分裂过程得到SSR,l为SSR分裂的宽度，分裂的方向由x轴和分裂中心之间的夹角θ（这里是0°）来定义，如图1所示。a和b分别为SSR的长度和宽度，d和h分别为MIM波导中加入的存根宽度和高度，g为耦合距离。为了分析耦合结构的光学响应特性，使用COMSOL软件建立几何分析模型。模拟中采用较细化的任意三角形进行网格剖分，设置了银的相对介电常数、空气的折射率等相关计算参量，并采用完美匹配层包裹整个结构，使面光源从入射端口自左向右平行入射，在输出端口监测输出，求解偏微分方程，进行仿真计算，得到耦合结构在不同入射光频率下的透射谱。透射率可以表示为T=(S21)2，其中S21为输入口P1到输出口P2的透射系数。
模拟中，首先研究分裂在MIM波导环中的作用，并分别计算完整方环与MIM波导耦合的透射谱和SSR与MIM波导耦合的透射谱。SSR的结构参数分别为：a=300nm；θ=0°；b=240nm。耦合SSR和完整方环谐振器的透射光谱的比较如图2所示。与完整环相比，SSR透射谱在波长λ=805nm处出现了新的共振模式。为了理解传输特性，图2中插入了侧耦合SSR的波导结构在谐振波长处的磁场分布。如图2插图所示，磁场分布表现出不同的对称性。波长λ=1175nm时，磁场分布是关于开口呈轴对称的，场分布中有2个节点。波长λ=805nm时，磁场分布关于开口轴是不对称的，场分布中有3个节点。因此，根据磁场的对称性，可以将SSR的共振模式分为对称模式和非对称模式，这两个共振波谷分别对应m=1的对称模（λ=1175nm）和m’=1的非对称模（λ=805nm)[30]。我们把新出现的共振模式归因于结构的对称性破坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性[J]. 陈颖,曹景刚,许扬眉,高新贝,谢进朝,唐心亮,李少华. 中国激光. 2019(02)
[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]内嵌矩形金属块纳米圆盘结构等离子体多通道波分复用器研究[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,李海鸥,张法碧,孙堂友. 光学学报. 2018(12)
[4]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[J]. 陈颖,罗佩,田亚宁,刘晓飞,赵志勇,朱奇光. 光学学报. 2017(09)
[5]铝纳米颗粒表面等离子体共振峰可控性研究[J]. 马守宝,刘琼,钱晓晨,洪瑞金,陶春先. 光学学报. 2017(09)
本文编号：3518208
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