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.

变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性

现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测,为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰,提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析,变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成,通过有限元法对传输特性进行分析,TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面,当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时,变周期亚波长介质光栅会形成GMR,提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰;由于类F-P腔中含有周期性光子晶体,光波传播到光子晶体会产生光子禁带,提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时,变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合,实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度dw和光子晶体周期数N对传感特性的影响,选择dw=97 nm和N=3,使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成,在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元,建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型,设置不同的传感检测区域,发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着ns1和ns2变化,间接实现了对待测样本折射率的动态检测,因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明,在传感检测单元A内,FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^(-1);在传感检测单元B内,FOM值分别为480.67和834.04 RIU^(-1)。所设计的传感结构模型通过结构参数优化,实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围,对双重Fano共振提供了理论参考,对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。

基于硅基微环谐振器的Fano共振线型产生和调谐研究进展

Fano共振的线型具有明显不对称特征,在光学通信、调制和传感等领域中极具应用潜力。首先对微环谐振器的各种线型进行了介绍,强调了Fano共振线型的独特优势,其次依据结构分类梳理了国内外基于硅基微环谐振器产生Fano共振的研究现状,然后介绍了基于热光效应的Fano共振调谐的研究进展,最后展望了硅基微环谐振器的Fano共振的发展及应用。

耦合谐振系统中基于Fano共振的光学压力传感器

光学压力传感器在微小形变检测、环境监测以及医学领域等方面具有非常重要的作用.然而,外加压力与谐振腔形变前后的光学响应之间的定量关系很难获得.本文提出了一种基于金属-介质-金属波导的耦合谐振腔系统用于实现光学压力传感器.利用有限元方法对该系统的力学特性以及受力前后的光学传输特性进行详细分析.仿真结果显示谐振腔的最大形变量与所施压力呈简单的线性关系.给出了光学压力传感器灵敏度的直接定义,并基于条形腔与槽形腔耦合产生的Fano共振现象,获得了灵敏度为6.75 nm/MPa的光学压力传感器件.除此之外,添加了stub谐振腔,获得了双Fano共振现象,且随着外部压力的变化,两个Fano线型表现出不同的变化规律;特别地,合适的压力数值可使得双Fano共振变成单Fano共振.该结构的特点适用于不同压力下的光学性质变化检测、化学高压实验测量和化学反应动力学过程的研究.

基于Fano共振效应与多孔吸声的全向通风高铁声屏障

针对现有高速铁路声屏障通风性能差、自重大的问题,提出了一种新型高铁声屏障设计。首先基于Fano共振效应提出一种由螺旋通道与中空通路相互组合的声学超单元结构,再根据隔、吸声相结合的设计理念在超单元内壁添加多孔材料形成复合结构,来进行声屏障的构建,并对声屏障整体结构进行了安全性分析。主要结论如下:参数优化后的超单元结构可以达到实际应用要求;复合结构的降噪效果优于单独的超单元,并通过参数化分析确定了选用厚度为15mm的多孔材料构建声屏障;相较超单元声屏障,复合结构声屏障在全频段范围内均表现出了出色的降噪效果,且具有全向性;所设计的声屏障可以保证在组合风荷载作用下的安全性,验证了设计的可行性。

基于Au纳米平行双棒超表面阵列的双Fano共振和折射率传感器特性研究

为了研究超表面结构的耦合及折射率传感特性,设计了一种由两种长度不同的纳米棒组成的二聚体结构,并研究该结构的透射光谱,共振峰处的电场和电荷分布以及结构参数对透射光谱的影响。本文采用有限元法对光学性能进行仿真分析,采用准静态逼近模型解释了平行双纳米棒结构的耦合机理。在共振波长上模拟电场分布,分析电子振动模式,在透射光谱中出现了不对称线型的双Fano共振。结果表明,双Fano共振是由纳米棒和衬底之间的耦合作用产生的,可以通过结构参数和周围介质的折射率来调控,且基于Fano共振的折射率灵敏度最大可达1.137μm/RIU。这些研究结果为设计等离激元传感器提供了理论依据。

基于连续束缚态的高品质因子双波长Fano共振

为了提高品质因子(Quality value,Q)以增强光与物质的耦合作用,本文提出一种结构简单、工艺制备要求低的介质超材料,它可激发对称保护的连续介质束缚态(bound states in the continuum,BICs)。该介质超材料具有四聚孔组成的平面纳米孔板,通过改变纳米孔的位置,可使对称保护BIC转变为对称保护的QBIC,进而诱导出两个高品质因子Q值Fano共振。经计算Fano共振在非对称参数Δ=3 nm时,Q值可达到1×e^(6)。随后将QBIC和Fano共振的远场辐射分解为不同多极子分量的贡献,基于散射功率和电场矢量分布可以发现,介质超材料在λ_(1)出现高Q值Fano共振主要是因为磁四极子和环偶极子的存在,而在λ_(2)出现高Q值Fano共振主要是因为环偶极子的存在。最后分析计算了纳米孔边长和纳米孔填充材料对两个Fano共振的影响。本文的研究可以为研究制备高Q值光学响应器件提供理论指导。

MIM波导内嵌金属板结构Fano共振传感特性

基于法诺(Fano)共振传感特性,提出了一种金属-介质-金属(MIM)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Fano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Fano模式共振峰:第一种模式的品质因数(FOM)达9.4×10^(4),灵敏度为700 nm/RIU;第二种模式的FOM达8.4×10^(3),灵敏度为1200 nm/RIU。研究结果表明此结构设计实现了双Fano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。

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。

纳米环-七聚体金属-介电结构的多重Fano共振特性

为实现可调谐的多重Fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器,本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构,利用有限元方法(Finite Element Method,FEM)研究了Fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明,纳米环-七聚体金属-介电纳米天线的Fano共振特性对高度、入射角度和结构间隙的变化非常敏感;纳米天线的电场强度和电偶极源激发下的珀赛尔系数(Purcell factor,PF)可达134.74 V/m和3214,使得纳米天线中心位置附近的电场强度得到大幅增强;复合纳米天线结构具有较高的灵敏度S和品质因数FOM,分别为1400 nm/RIU和17 RIU^(-1),可作为评价高灵敏度折射率传感器的重要性能指标。本文为实现复合纳米天线结构中Fano共振的可调谐特性提供了一种可行途径,为表面增强拉曼散射、量子发射器和折射率传感器等实际应用奠定了坚实的理论基础。

基于深度学习的Fano共振超材料设计

本文提出了一种基于深度学习的超材料Fano共振设计方法,能够获得高Q共振的线宽、振幅和光谱位置特性。利用深度神经网络建立结构参数和透射谱曲线之间的映射,正向网络实现对透射谱的预测,逆向网络实现对高Q共振按需设计,设计过程中实现了低均方误差(MSE),训练集的均方误差为0.007。与传统方法需要耗时的逐个数值模拟相比,深度学习设计方法大大简化了设计过程,实现了高效、快速的设计目标。对Fano共振的设计也可推广应用到其它类型的超材料的自动逆向设计,显著提高了更复杂的超材料设计的可行性。

基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器设计

与传统甲烷传感器相比,超表面甲烷传感器具有高度灵敏、性能稳定、小型化、集成化、多功能可定制等优点,更满足在煤矿等复杂环境下的应用需求。设计了基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器。超表面结构由周期性的硅纳米结构和SiO2衬底组成,包含4个方形硅环纳米结构及中心的硅纳米方块。通过改变几何参数观察其对全介质超表面结构Fano共振的影响,结果表明,综合考虑结构的品质因数和调制深度,应选取方形硅环中心距离为1000 nm,方形硅环的内边长为100 nm,硅纳米块的边长为200 nm,此时品质因数为227.60,调制深度为99.98%,接近100%。通过在超表面结构内涂覆甲烷气敏薄膜实现传感检测功能,结合极窄线宽的Fano谐振特性和显著的局域场增强效应,实现对甲烷气体的高精度检测。仿真结果表明:全介质超表面传感器对甲烷体积分数的灵敏度为−0.953 nm/%,且甲烷体积分数变化与共振峰偏移量呈线性关系,监测性能较好;全介质超表面传感器的折射率灵敏度高达883.95 nm/RIU,且共振峰偏移量与环境折射率增量呈线性关系,可用于检测环境折射率的变化。

基于单挡板的MDM波导侧向耦合谐振腔的Fano共振及传感特性

基于表面等离激元提出了一种含金属挡板的波导侧向耦合谐振腔系统。当入射光从波导的入射端进入到该结构时,谐振腔会形成较窄的离散带,金属挡板会产生较宽的连续态,较窄的离散态与较宽的连续态发生干涉时,形成两种不同模式的Fano共振谱线。采用时域有限差分法对该结构的传输特性进行了仿真计算,分别研究了结构的磁场分布、电场分布、透射特性和传感性能,根据磁场分布图和电场分布图可更好地解释Fano共振的形成机理。仿真数据分析结果表明,几何参数与介质折射率可以调节结构的传输性能。最后对结构的几何参数进行了优化处理,得到了在最优参数下,该结构产生的两个Fano共振的品质因数分别为4.502×105和1.967×105,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1400 nm/RIU,均达到了较高的数值,具有良好的传感性能。所设计的耦合结构可为提高微纳光学传感器的性能提供一种可行的途径。

双耦合谐振子Fano共振特性的实验设计与研究

Fano共振现象在纳米超材料等前沿热点领域有非常广泛的应用,通过一种简单的耦合谐振子模型,详细推导了Fano共振的动力学机理,设计了双耦合谐振子共振系统,将微观量子物理领域中Fano共振的概念引入到大学物理实验教学体系中,并提供了详细的实验设计与应用方案,对大学物理实验教学体系中关于共振的概念是一种有效的补充,同时也提升了实验课程的前沿性和综合性。

基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振

设计了一种基于金属-介质-金属波导的半圆形谐振腔与矩形谐振腔的耦合结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:透射光谱中产生一个类似Fano共振线型的共振谷,该Fano共振由半圆形谐振腔的宽谱共振和矩形谐振腔的窄谱共振相互耦合所导致.变化谐振腔的结构参量,发现该Fano共振谷位置依赖于矩形谐振腔的几何参量,而对两谐振腔相对位置的微小移动不敏感;同时,改变两谐振腔的并联方式,研究了两种衍生结构的传播特性,发现这些结构均可产生明显的Fano共振.此外,通过在谐振腔中填充不同折射率的介质材料,研究了三种结构基于Fano共振效应的折射率传感特性,其折射率敏感度最高达到750 nm/RIU.研究结果可为未来芯片上基于表面等离极化激元波导的高灵敏折射率传感器的设计提供理论依据.

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10^(4),共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10^(4).该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.

Aharonov-Bohm环上联结stub介观结构的Fano共振效应

采用量子波导理论研究了Aharonov-Bohm环上臂联结stub介观结构中的电子输运性质.发现电子透射系数随stub长度和环的大小而周期振荡,能使电子输运达到100%.当系统结构确定不变时,研究了入射电子费米能量与电子透射几率的关系,结果发现当入射电子能量为某一值时,出现Fano共振效应;而且发现当入射电子能量以及环长度给定的情况下,适当调整stub长度和磁通量的大小也会导致Fano共振效应的出现.

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。

波导谐振腔Fano共振特性研究

利用耦合模理论,建立了波导-谐振腔-波导谐振腔耦合的数学模型,并给出了此系统的光学透过率和相移特性的解析表达式,分析了此系统的Fano共振物理机制,即由波导谐振腔驻波模式的共振与谐振腔模式之间的共振耦合引起的,另外还给出了Fano共振模式所需要满足的位相匹配条件,同时分析了各个性能参数对此系统的透过率特性和位相特性影响。

基于跑道型微环谐振腔的Fano共振器件设计及传感特性研究

与传统洛伦兹线形相比,具有不对称线形的Fano共振光谱有更高的光谱分辨率,尤其适合传感应用。通过在硅基总线波导与跑道微环谐振腔耦合区域引入两个空气孔使得连续光谱产生突变相移,并与跑道微环谐振腔耦合形成Fano共振,且在较宽谱段范围内的每个共振峰都表现为非对称线形。通过仿真优化耦合间距以及空气孔与耦合区域中心的偏移量,获得最大光谱分辨率为312.05 dB/nm,消光比为53.09 dB的硅基Fano共振器件。在模仿被液体的折射率变化范围为1.33~1.332的条件下,仿真得到折射率传感灵敏度为125 nm/RIU。仿真结果表明本论文提出的器件结构简单,尺寸紧凑且制造误差小,为硅光子器件应用到高灵度敏度的集成生化传感提供新思路。