枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明:左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm~1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.

复合鱼鳞型超构材料中光控Fano谐振的设计

为解决传统超构材料存在的结构一旦形成,其谐振特性便无法进行动态可调的问题,本文将鱼鳞型超构材料与光电导材料硅相结合,实现了太赫兹波段Fano电磁响应的动态调控。该复合超构材料由鱼鳞型金属线、硅层以及聚酰亚胺组成。在鱼鳞型结构的金属弧线无、有缝隙两种情况下,研究了电磁波的入射角度和硅的电导率对Fano谐振的影响。当硅的电导率达到1×10^(3) S/m时,多频点电磁响应的调制深度都接近1。结果表明,调节缝隙宽度可以成为Fano谐振工作频率调控的有效方式。本文为实现超构材料中Fano谐振的可调谐特性提供了一种可行途径,对实际应用中太赫兹波的主动调控、传感等方面具有重要意义。

基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析

为了获得较大的尖锐度,提升微环传感器的灵敏度,提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱,眼型谐振腔由一个外环和内环构成,外环与总线波导耦合,内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算,在不同剩余电场比例系数下,发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数,其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大,尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在-6dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰,可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数,降低器件对耦合区加工准确度的要求.

等离子体纳米结构Fano谐振的Q值计算研究

品质因子(Q值)是谐振模式电磁存储能力的一个重要评价指标,文中从定义出发得到了Q值的时域拟合公式,并结合时域有限差分方法对典型金属纳米结构以及Fano谐振各特征模式的Q值展开研究;此外,用较为简单方便的频域半高宽公式对上述结构进行了Q值计算.通过对比2种方法得到的结果,发现尽管频域半高宽公式能够适用于简单的金属纳米结构谐振模式Q值计算,但在处理Fano谐振的Q值时将会带来较大的误差,有时甚至极大地偏离实际值导致计算结果失去意义.文中采用的时域拟合Q值公式从谐振模式的本质出发,不受结构响应谱线型的影响,适用于各种情况下对谐振模式Q值的准确计算.

对称平面特异材料中的类Fano谐振(英文)

从理论和实验上研究了一种具有C3对称性的平面特异材料中的类Fano谐振模式。该平面特异材料由互补劈裂开口环谐振器(CSRRs)周期排列而成,每个原胞包含3个缝隙,具有三度旋转对称性。当水平偏振的电磁波入射到该结构时,具有高品质因子的类Fano谐振模式可以被激励,透过率频谱上表现为尖锐的谐振峰。该类Fano谐振由单元内3个CSRR局域模式的平面内耦合形成的对称态和反对称态耦合产生,在传感器、滤波器方面有广阔的应用前景。

槽型相移布拉格光栅微环谐振器及其传感特性

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性,设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输矩阵法量化谐振器中各部分的光场分布,分析系统的传输原理。采用时域有限差分法对提出的器件结构进行仿真模拟,并对结构物理参数进行优化。模拟结果表明该结构的品质因数达到25729,比传统微环谐振器提高了3倍以上,消光比为18.65 dB,高出传统微环谐振器6.46 dB,折射率灵敏度达到122 nm/RIU,且该谐振器结构简单。所提出的结构在传感应用中具有一定的优势。

基于平面超材料的Fano谐振可调谐研究

基于两段相同金属分裂环谐振器构成的单层结构,从理论及实验方面研究了平面超材料的可调谐Fano谐振.实验测量了平面超材料对TE和TM入射波的电磁响应,利用电磁波的入射角度控制Fano谐振的强度,实现了谐振的开关特性,谐振频率红移可达到21%.基于有限元法给出了平面超材料的场分布,强的正常色散表明平面超材料的电磁响应可类比经典电磁诱导透明现象,仿真与实验结果相符合.对称结构超材料Fano谐振的开/关特性为超材料性能的可调谐控制提供了有效途径.

基于光栅辅助微环结构的高斜率Fano谐振器

在集成光学回路中,相较于对称的洛伦兹线型,非对称的Fano谐振线型能实现光传输强度的急剧改变,从而有效提升光开关、调制器和传感器的灵敏度。提出了一种基于光栅辅助微环结构的Fano谐振器。该谐振器采用绝缘体上硅材料,通过在跑道微环内加入两组波导光栅结构实现Fano谐振。基于传输矩阵理论,推导了该谐振器的传输谱线,并分析了器件中不同结构参数对Fano谱线谐振峰位置、凹陷深度和斜率的影响,实现了最高斜率为-299.67 dB/nm、凹陷深度为9 dB、损耗为6.4 dB的Fano谐振谱线。该Fano谐振器具有斜率高、尺寸小、制造简单等优势,能广泛应用于光开关、光传感和光探测等领域。

基于硅基微环谐振器的折射率传感研究综述

片上折射率传感在安全检查、环境监测、健康诊断和食品监督等领域有着广阔的应用前景,基于硅基微环谐振器的折射率传感器具有微型化、集成化等优点,已成为当前研究的热点。文章首先对硅基微环谐振器的折射率传感探测原理进行了介绍,然后依据探测原理分类梳理了国内外硅基微环折射率传感的最新研究进展,并分析总结了不同传感探测原理的优缺点,最后讨论了现阶段硅基微环谐振器在折射率传感中存在的问题和未来的发展方向。

金属-电介质-金属波导耦合开口环形腔的高灵敏度传感特性研究

基于金属-电介质-金属(MDM)波导侧向耦合倾斜半环形谐振腔结构,提出了一种结构紧凑且具有高灵敏度响应的折射率传感器模型。引入与水平方向成70°角倾斜分布的半环腔,可以有效地打破波导耦合谐振腔结构的对称型,激发出更多的谐振模式。采用有限元法计算出了含金属挡板MDM波导结构耦合有效半径为185 nm的倾斜半环腔结构的透射谱线,三个具有非对称Fano线型的共振透射峰分别出现在594,868及1734 nm的波长位置。透射峰值对应的模场分布揭示了三个透射峰分别对应于半环腔中的三阶、二阶和一阶谐振模式,记为FR3,FR2及FR1。基于半环谐振腔内的1~3阶窄带谐振模与波导内金属挡板产生的宽带反射模之间的耦合干涉效应解释了透射谱线中的非对称Fano透射峰的形成机理。同时基于半环腔中的类FP谐振条件推出了折射率传感灵敏度的近似解析计算公式,揭示了折射率传感灵敏度近似与腔长L呈正比关系,与谐振阶次m成反比关系的规律。通过改变介质层中的折射率参数,得到了透射峰FR3,FR2及FR1的折射率传感响应灵敏度分别为550,840及1724 nm·RIU^(-1)。最后在保持曲率半径不变的前提下,延伸半环腔的弧长构建了开口角为π/2的开口环形腔结构,实现了腔长L的1.5倍增长。数值计算表明开口环形腔耦合MDM波导结构中的三重透射峰折射率传感灵敏度进一步提升到821,1250及2517 nm·RIU^(-1),相对半环腔结构均近似实现了1.5倍的提升。数值结果进一步验证了近似解析公式的有效性。研究结果为实现结构紧凑的高灵敏度折射率传感器设计提供了理论基础。

非对称结构平面电磁超材料的微波特性研究

利用有限元法研究了非对称平面电磁超材料的Fano谐振.给出了谐振频率处的表面激发电流分布,利用Fano公式对非对称电磁超材料的透射谱进行拟合.逐一分析单一金属环的电磁响应,发现非对称金属弧之间的耦合作用导致了Fano谐振.分析了结构参量对Fano谐振性能的影响,并研究了入射电磁波偏振旋转角对Fano谐振的影响.结果表明,旋转偏振角是实现metamaterial性能调谐的方式之一.

超材料研究进展概论

超材料(metamaterials)以其独特的电磁性质受到科研工作者的热切关注,已被用于电磁学、光学、地震学、传感、天线工程等诸多领域,尤其是超材料所具有的高品质因数Fano谐振在高灵敏度传感、探测等领域具有广泛应用。随着超材料科学的发展,为了更好地契合实际应用,人们又提出了一种新的超材料—超界面(metasurfaces)。超界面是一种二维结构的超材料,与传统的块状超材料相比,其具有剖面低、制作工艺简便、易于集成等优势,因而吸引了研究者的极大关注,并且已经成为超材料领域中的一个研究热点。手性的概念由来已久,但是手性超材料是在2004年经过Pendry论证后,才开始发展起来。与左手超材料不同,手性超材料通过结构设计使其具有强的手性即可实现负折射,因此一种设计负折射超材料的简便方法被提出,手性超材料的研究受到科研工作者的广泛关注。