集成波导型表面等离子体共振传感芯片及其理论分析

集成波导型表面等离子体共振传感芯片是表面等离子体共振传感技术和微电子制造技术相结合的产物。介绍了集成表面等离子体共振传感芯片的工作机理和基本结构,并通过基于传统波导模式的分析法结合表面等离子体波的色散方程,发展出简单实用的波导表面等离子体共振分析方法。利用该方法对波导型表面等离子体共振传感芯片的工作状态进行了理论建模,给出了各特性参数之间的关系。这证明该方法是分析等离子体共振传感芯片优化的有力工具。

表面等离子体激元的原理与应用

光与物质之间的相互作用,被视为光学应用的最基础物理问题。由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs),是一种新型的元激发准粒子,因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。SPPs器件打破了传统光学衍射限制,在纳米光子器件中有独特优势,应用于微纳光子学的前沿研究。阐述了SPPs的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质,重点探讨了SPPs在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用,并提出了研究前景。

聚合物波导型表面等离子体共振传感器的特性研究

基于表面等离子体共振理论,将SU-8作为波导芯层材料,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为下包层材料,设计了一款聚合物波导型SPR传感器。理论计算了波导芯层折射率、被测物折射率、不同金属薄膜及其厚度等因素对表面等离子体共振曲线的影响。分析结果表明,在可测试范围内,被测物折射率越大,灵敏度越高;波导芯层折射率减小,共振峰向长波方向移动,被测物检测范围整体向折射率小的方向偏移,波导芯层折射率增大则相反。

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。

加入增益介质的表面等离子体激元耦合共振波导传输特性理论研究

将增益介质加入金属环构成的表面等离子体激元耦合共振波导,利用传输矩阵及时域有限差分方法研究了不同增益系数下该耦合共振波导的透射谱线、色散关系以及群折射率.结果表明,增益介质共振频率附近的反常色散及正常色散变化能有效影响由共振波导几何结构决定的色散关系曲线,且具有相反的效果,分别使其变得平坦和陡峭,从而放大和缩小由共振波导几何结构决定的群折射率.另外,增益系数随外加抽运光改变的特点使得加入增益介质的耦合共振波导具有传输性能可灵活调节特性.文章的研究对促进耦合共振波导在高密度光学集成中的广泛应用具有积极意义.

各向异性特异材料波导中表面等离子体的共振性质

使用时域有限差分法,研究了各向异性特异材料(AMM)作为包层的AMM/介质/AMM波导中表面等离子体的共振性质.色散关系表明,当特异材料为负磁导率的always-cutoff型时,AMM/介质/AMM波导支持TE极化的表面等离子体,表面等离子体的波长随着中间介质层的厚度和特异材料磁等离子体频率的减小而变短.在有限长度AMM/介质/AMM波导中,由于两端界面的反射,表面等离子体模在波导中形成Fabry-Perot共振,而实现亚波长的表面等离子体微腔.在共振频率,电场强度在微腔的中部达到最大值,而磁场分别在两端界面处达到最大,电磁能强局域在中间介质层中,这一性质将在可调的具有强局域特性的亚波长微腔及腔量子电动力学中具有潜在的应用.

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。

带有侧耦合腔的Y型MIM 波导的传输特性研究

本文设计了一种带有两个水平侧耦合Fabry-Perot(FP)共振腔的基于金属-绝缘体-金属(MIM)结构的Y型表面等离子体光波导结构。传输谱存在一个较窄的阻带,两个腔的长度相同时,两个输出端的传输谱几乎完全重合;两个腔长度不同时每个输出端的传输谱上的阻带位置也不同,并且当一个输出端透射率达到最小时,另一个输出端的透射率接近最大。通过调节两个FP共振腔的长度?宽度以及腔内介质的折射率,可以调节表面等离子体激元在腔内发生共振从而形成驻波的工作波长,实现探测灵敏度高达1280 nm/RIU?品质因子大于200的传感特性。利用这些特性可以在两个输出端对不同的工作波长实现滤波?开关?分束等功能,因此这种亚波长表面等离子体光波导结构在集成光学滤波器?纳米光开关?分束器以及折射率传感器等领域有一定的应用前景?

基于对称平板波导型SPR液体折射率传感特性

表面等离子体共振(SPR)技术在外界环境折射率测量上有着广泛应用。设计了一种对称平板波导结构,利用时域有限差分法对波导结构中SPR效应与外界环境折射率的关系进行数值模拟,对金属材料选择以及传感区域长度进行了优化,并研究了不同阶次的模式对传感器灵敏度的影响。仿真结果表明:当外界环境折射率为1.38时,相较于基模条件下4100 nm/RIU的灵敏度,三阶模传感器的灵敏度提高到6209 nm/RIU,最大灵敏度提高了51%;当外界环境折射率为1.34~1.38时,传感器平均灵敏度从2900 nm/RIU提高到4025 nm/RIU。

微型腔单一亚波长金属狭缝的光波透射

利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。

基于银纳米线的类熊猫型微结构光纤传感器

设计了基于银纳米线等离子体共振效应的大孔径微流通道的类熊猫型微结构光纤传感器,采用全矢量有限元法对该传感器进行了数值研究,讨论了待测液折射率等参数对光纤传感器的损耗和灵敏度的影响。结果表明:随着待测液折射率和银纳米线直径的增大,损耗和光谱峰值λpeak都将增大;并且当银纳米线的直径增加到一定程度时,损耗和灵敏度都会呈现多峰值现象。最后取银纳米线直径d=150 nm,得到最大幅度灵敏度为910 dB/RIU,最大光谱灵敏度为1 400 nm/RIU。

周期性倾斜边狭缝阵列金膜结构的超强透射

利用时域有限差分法,研究了具有亚波长倾斜边狭缝周期性结构金属膜的透射特性。研究发现:当改变2层狭缝的侧向位移时,透射谱发生变化。通过分析电场和总电磁场能量分布图,揭示了透射源于2种不同的共振机制:限制在狭缝内区域的局域波导共振模式和电磁场能量分布在狭缝两端的表面等离子体共振模式。

Kerr非线性效应对通过金膜狭缝阵列透射特性的影响

基于严格的有限时域差分方法,研究了填入非线性Kerr介质的金膜狭缝阵列的增强透射特性.结果表明:在所研究的波长范围内出现的共振透射峰是表面等离子体共振和局域波导共振共同作用的结果.详细分析了金膜狭缝阵列中填充的非线性介质的厚度、三阶磁导率、线性折射率以及入射光强对透射特性的影响.发现填充在金膜狭缝阵列中的非线性介质的厚度、三阶磁导率、线性折射率和入射光强度等参数的微小变化就能导致透射共振峰的峰值和峰中心波长的明显改变.这些研究结果或许有助于设计精确光开关等光子器件.