MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究

发布时间：2017-12-16 18:26

  本文关键词：MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究

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【摘要】：表面等离极化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波,其具有突破光衍射极限的能力,使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。随着研究的不断深入,基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。基于金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应,如Fano共振、电磁诱导透明。Fano共振效应是一种弱耦合作用,其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。因此,利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。本论文基于耦合模理论(Coupled Mode Theory,CMT)和有限元方法(Finite element method,FEM),研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象,并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器,主要工作简述如下:1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构,利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性,结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057 nm/RIU,FOM值为1016。基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。此外,设计了两种衍生结构,在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰,进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性,结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。该结构的Fano共振是由矩形谐振腔的宽谱共振和圆环形谐振腔的窄谱共振相互耦合叠加所产生,基于耦合模理论对Fano共振效应进行了分析。此外,研究了该结构的折射率传感特性,优化参数后,该结构的最大折射率灵敏度达到1125 nm/RIU。3、设计了缺陷MIM波导耦合劈裂环形谐振腔结构,仿真结果表明该结构的透射光谱呈现为明显的非对称Fano共振线型。研究表明该Fano共振线型可通过改变结构参数实现调控,同时也探究了该结构Fano共振效应对折射率的敏感性,经优化后该耦合结构折射率灵敏度达1200 nm/RIU。本文设计了三种MIM波导耦合谐振腔结构,分析了不同结构的光传播特性,上述工作可对基于MIM波导耦合谐振腔系统中实现Fano共振效应提供一定的参考。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】

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1 徐地虎;胡青;彭茹雯;周昱;王牧;;金属微结构纳米线中等离激元传播和分光特性[J];物理学报;2015年09期

2 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

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本文编号：1297031