基于MDM波导耦合谐振腔的Fano共振效应及其传感特性研究

作     者：唐丹丹 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关建飞

授予年度：2020年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：表面等离子体 MDM波导 Fano共振 U型谐振腔 跑道型谐振腔 折射率传感器 

摘      要：表面等离子波(Surface Plasmons Polaritons,SPPs)是一种在外加高频电磁场下,金属-介质交界面处的自由电子产生集体震荡,并以疏密波的形式沿金属-电介质交界面传输的行为。其被束缚在金属-介质交界面的表面从而具有很强的局限作用,并沿着金属表面传输且在垂直于传输方向上呈指数衰减。所以表面等离子体可以突破传统的衍射极限,这对于实现光学器件的微型化和集成化具有很大的帮助。金属-电介质-金属(MDM)波导结构具有结构简单、传输距离长、易于制备、频率范围宽等多种优势。MDM波导耦合谐振腔结构可以产生Fano共振线形,Fano共振谱线的一个显著特点就是明显的反对称性,这使得其对折射率的变化有很好的敏感特性。本文研究的是MDM波导耦合不同谐振腔时产生的Fano共振传感特性,共提出两种含有金属挡板的MDM波导与谐振腔的耦合模型。第一种模型结构是带有金属挡板的MDM波导与U型谐振腔的耦合,通过波导中的宽谱共振和U型腔中的窄带谱共振相互干涉叠加产生的Fano共振,我们利用模式耦合过程来分析该Fano共振形成的机理和过程。通过优化结构参数来改善结构的传感性能,我们发现该结构的品质因数FOM最高值为4.7382×10,相对应的灵敏度为800 nm/RIU。我们通过对单侧U型谐振腔进行优化,在波导的另一侧加上对称的U型腔结构,优化结构参数得到最大的FOM值为5.3478×10,具有更高的分辨率,相对应的灵敏度大小与单侧U型结构腔相同。第二种模型结构是含有金属挡板的MDM波导与跑道型谐振腔的耦合,我们通过改变结构参数来分析该结构的传感特性。首先我们研究的是单金属挡板与单侧跑道型谐振腔耦合,优化结构参数得到最大的品质因数FOM值为2.087×10,相对应的灵敏度为866.7nm/RIU;其次我们保持上边跑道腔的结构参数最优时,当在波导的另一侧添加一个旋转90度的跑道腔结构,研究发现此时的传感性能较单侧更优,其品质因数高达1.412678×10,该参数下的灵敏度为875nm/RIU;最后,当我们在波导的另一侧添加一个不对称且方向一致的跑道腔结构,改变下边腔的结构参数时,发现该结构产生了双重Fano共振。我们继续对该结构进行研究,发现双重Fano共振是分别由上下边腔与MDM波导耦合形成的。我们优化下边腔的结构参数,发现两种模式的Fano共振的传感参数FOM值分别为2.27901×10和2.24755×10,灵敏度大小分别为850nm/RIU和950nm/RIU。与单侧跑道腔结构相比,其传感性能更优。