1、收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 7.基金项目:国家自然科学基金项目(6 1 8 0 5 0 5 3);国家大学生创新创业训练计划资助项目(2 0 2 0 1 0 5 9 5 0 1 8).*通信作者:孙堂友E-m a i l:s u n t a n g y o u g u e t.e d u.c n.材料、结构及工艺D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 0 1 7 0 1M I M波导内嵌金属板结构F a n o共振传感特性覃祖彬,肖功利,周嗣童,蓝进京,孙堂友*,邓艳容(桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重
2、点实验室,广西 桂林5 4 1 0 0 4)摘 要:基于法诺(F a n o)共振传感特性,提出了一种金属-介质-金属(M I M)波导耦合矩形腔结构,目的是为了实现高灵敏度、高可靠性的折射率传感检测。通过耦合模理论和有限元数值模拟仿真,分析了矩形腔中有无内嵌金属板两种结构的F a n o透射光谱特征,并且进一步优化了矩形腔内嵌金属板结构参数,最后阐明了结构参数对其传感特性的内在影响。结果表明,当入射光以TM模式入射到矩形谐振腔时,会形成两个F a n o模式共振峰:第一种模式的品质因数(F OM)达9.41 04,灵敏度为7 0 0n m/R I U;第二种模式的F OM达8.41 03,灵
3、敏度为12 0 0n m/R I U。研究结果表明此结构设计实现了双F a n o峰检测,同时各个模式品质因数都很高,这为高性能微纳光学折射率传感器的设计提供了一定的理论参考依据。关键词:耦合模理论;M I M波导;矩形腔;F a n o共振;折射率传感中图分类号:T N 2 5 6 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 7 6-0 5S e n s i n gC h a r a c t e r i s t i c s o fF a n oR e s o n a n c e i nM I M W a v e g u i d ew i t hE m b e d
4、 d e dM e t a lP l a t e S t r u c t u r eQ I NZ u b i n,X I AOG o n g l i,Z HOUS i t o n g,L ANJ i n j i n g,S UNT a n g y o u,D E NGY a n r o n g(G u a n g x iK e yL a b.o fP r e c i s i o nN a v i g a t i o nT e c h n o l.a n dA p p l i c a t i o n,G u i l i nU n i v e r s i t yo fE l e c t r o n
5、 i cT e c h n o l.,G u i l i n5 4 1 0 0 4,C H N)A b s t r a c t:I no r d e rt oa c h i e v eh i g h l ys e n s i t i v ea n dr e l i a b l es e n s i n gd e t e c t i o no fr e f r a c t i v ei n d e x,am e t a l-i n s u l a t o r-m e t a l(M I M)w a v e g u i d e c o u p l e d r e c t a n g u l a r
6、 c a v i t ys t r u c t u r e i sp r o p o s e db a s e do ns e n s i n gp e r f o r m a n c eo fF a n or e s o n a n c ei nt h i sp a p e r.W i t ht h eh e l po ft h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec o u p l i n gm o d ea n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yt h ef i n i t ee l e
7、m e n tm e t h o d,t h eF a n ot r a n s m i s s i o ns p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c t a n g u l a rc a v i t yw i t ha n dw i t h o u te m b e d d e dm e t a l p l a t ea r ea n a l y z e d.A n dt h ep a r a m e t e r so f t h ed e s i g n e dr e c t a n g u l a rc a v i
8、t ye m b e d d e dm e t a lp l a t es t r u c t u r ea r eo p t i m i z e df u r t h e r.F i n a l l y,t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ni t ss e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c si sd i s c u s s e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt w oF a n o m o d er e s o n a
9、 n tp e a k sa r ef o r m e da f t e rl i g h ti si n c i d e n ti n t ot h er e c t a n g u l a rr e s o n a n tc a v i t yw i t hTM m o d e.I nt h ef i r s tm o d e,t h eF OMi s9.41 04a n dt h es e n s i t i v i t y i s7 0 0n m/R I U;i nt h es e c o n dm o d e,t h eF OMi s8.41 03a n dt h es e n s
10、i t i v i t y i s12 0 0n m/R I U.T h er e s u l t s i n d i c a t et h a tb i m o d a ld e t e c t i o nc a nb ea c h i e v e d i nt h i ss t r u c t u r ea n dah i g hq u a l i t yf a c t o rc a nb ea c h i e v e da l s oi ne a c h m o d e l,w h i c hp r o v i d e sa t h e o r e t i c a l b a s i s
11、 f o r t h ed e s i g no f h i g hp e r f o r m a n c em i c r o/n a n oo p t i c a l r e f r a c t i v e i n d e xs e n s o r.K e yw o r d s:c o u p l e d-m o d et h e o r y;M I M w a v e g u i d e;r e c t a n g u l a rc a v i t y;F a n or e s o n a n c e;r e f r a c t i v e i n d e xs e n s i n g6
12、7S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 0 引言当金属表面电子频率和入射光子频率相匹配时,表面等离激元1(S P P)会被激发,它是沿金属-介质表面所形成的电磁波。S P P突破了传统光学衍射的限制,从而可以在纳米尺度下形成特殊的光学性质,这对微纳光电子器件的高度集成化具有重要的指导意义2。法诺(F a n o)共振主要是由金属纳米结构中亮与暗模式相互耦合形成的,与其他共振比较,F a n o共振线形状十分锐利,因此结构或环境的微小改变就会对F a n o共振特性造成很
13、大的影响,利用此特性能够实现高灵敏度的传感。此外,F a n o共振峰尖锐且不对称、线宽较窄,为传感器拥有高品质因数(F OM)提供了可能性3。金属-绝缘体-金属(M I M)作为激发态S P P的光波导结构,为金属纳米光学器件的实现奠定了良好的理论基础。基于M I M波导的F a n o共振由于具有制作简单、易于集成、弯曲损耗低、传播距离远、灵敏度高,以及品质因数大等优点,被广泛地应用于各类光学传感器的设计中4-6。近年来,基于F a n o谐振的M I M波导结构被应用于多种光学器件,如传感器1 3-1 4、光开关7、滤波器7-1 0等。其中在传感器中的应用最为广泛,陈颖等1 3提出了一种
14、由圆形开环谐振腔与双对称矩形短根波导构成的结构,该结构构成的传感器在形成F a n o谐振时,谐振波长与线形均能通过结构几何参数进行调整。该传感器的灵敏度可达11 8 0n m/R I U,可产生最大光延迟约为0.1 2 8p s,在折射率传感 器 和 慢 光 器 件 等 方 面 具 有 潜 在 的 应 用 前 景。C h a o等1 4在M I M波导耦合T型腔的基础上开发了包含矩形腔波导耦合的T型腔,该型腔的共振谷传感灵敏度和品质因数都极高。F a n o共振波长可由类H型谐振腔的中轴长度独立调节,它的线型可由枝节宽度独立调节,从而使这一结构能够很容易地满足多种传感的需要。F a n o型
15、谐振腔在纳米光学传感和光子集成器件中极具有潜在应用价值。Z h a n g等1 5提出了一种矩形腔与倒T形腔相耦合而形成的结构,该结构产生了具有极高灵敏度与品质因数的F a n o共振峰。这说明人们可通过调节结构参数从而对F a n o共振峰进行调制,以满足检测时所需要的高灵敏度及高品质因数。上述器件在传感领域中展现出优异的传感特性,但由于对其性能要求越来越高,单纯依靠基本的F a n o共振无法应对复杂的传感问题,因此,如何进一步改善F a n o共振传感特性已成为新的研究热点。本文提出了一种M I M波导耦合半椭圆金属板结构,它能够产生两个F a n o共振峰,结果表明提出的结构拥有高灵敏
16、度和高品质因数。采用耦合模理论(CMT)和有限元(F EM)模拟数值仿真方法,对结构参数进行了详细的分析,并阐明了结构参数对其传感特性的内在影响。仿真结果表明,当入射光以TM模式经过此结构传输后会形成两个模式F a n o共振,矩形谐振腔的几何结构参数经过优化后,所得到的F OM分别为9.4 1 04和8.41 03,相应的灵敏度为7 0 0,1 2 0 0n m/R I U。双F a n o峰的探测进一步改善了折射率传感器的性能,这为微纳米光学传感器设计提供新思路。1 模型建立及理论分析1.1 模型建立图1是M I M波导矩形腔内嵌半椭圆金属板结构示意图,其中,结构的深色部分为金属银(A g),白色透明部分为空气(A i r)。根据相关文献报道,波导宽度W=5 0n m为最佳距离1 1。金属挡板的长度T=2 5n m,桥形共振腔的长度和宽度分别为L,N,椭圆金属板短轴和长轴的长度分别为a,b,其中参数N=2 4 0n m,a=5 0n m保持不变,耦合距离g=1 6n m。S1+和S1-分别为输入端入射光和出射光的振幅;S2+和S2-分别为输出端入射光和出射光的振幅。图1 M I M