專利名稱：一種產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔。
背景技術(shù)：
表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons) SPPs是目前納米光子學(xué)研究中的 熱點(diǎn)。表面等離激元是一種存在于金屬與介質(zhì)界面處的光波與金屬內(nèi)自由電子耦合的集體振蕩，它是一種特殊的界面束縛模式的電磁場，可以通過求解在金屬-介質(zhì)界面的邊界條件下的麥克斯韋方程組而得到。SPPs最大的特點(diǎn)是可以把光場局域在金屬與介質(zhì)界面處亞波長的尺寸內(nèi)，可突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限，同時(shí)還擁有局域場增強(qiáng)效應(yīng)。因此，近年來SPPs得到了研究者的廣泛關(guān)注。目前，由于表面等離激元波導(dǎo)能夠突破光的衍射極限而引起了極大地關(guān)注，并被認(rèn)為是在亞波長結(jié)構(gòu)中最有希望的替代者。在多種多樣的表面等離激元波導(dǎo)中，在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)中的表面等離激元SPP模式，能夠極大地突破傳統(tǒng)的衍射極限，并具有比較長的傳播距離、小的彎曲損耗和樣品加工的簡易性。因此，MIM波導(dǎo)對實(shí)現(xiàn)高集成光子學(xué)回路具有很重要的應(yīng)用前景。基于MIM波導(dǎo)，人們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了很多緊湊的表面等離激元光子器件，例如濾波器、環(huán)形諧振腔、分束器和波分復(fù)用器。然而，這些單一的諧振腔典型地體現(xiàn)為具有幾乎對稱的類洛倫茲線型。為了得到高對比度的調(diào)制、波長濾波、分束和波分復(fù)用等光子器件，波長的偏移或間隔必須遠(yuǎn)大于諧振腔的帶寬，從而嚴(yán)重限制了這些表面等離激元功能器件的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種能產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔。通過耦合諧振腔效應(yīng)，得到陡的非對稱的響應(yīng)譜線型，即法諾共振現(xiàn)象，從而顯著地提高表面等離激元功能器件的性能。本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔。本發(fā)明的金屬-介質(zhì)I禹合諧振腔包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)、以及在MIM波導(dǎo)內(nèi)的分支諧振腔和兩個(gè)擋板；其中，MIM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu)，第一層和第三層為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層；分支諧振腔從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)M波導(dǎo)的介質(zhì)層上；兩個(gè)擋板垂直設(shè)置在介質(zhì)層內(nèi)，并分別位于分支諧振腔的兩側(cè)。MM波導(dǎo)的第一層和第三層采用金或銀等金屬。介質(zhì)層的厚度h在10納米至I微米之間。在MIM波導(dǎo)中，表面等離激元場強(qiáng)能很好的束縛在介質(zhì)層里，能極大的突破衍射極限，達(dá)到深亞波長尺寸。分支諧振腔從側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)的介質(zhì)層上。由電磁場理論可知，在具有一定邊界條件的諧振腔內(nèi)，電磁場只能存在一系列離散的本征模式，通過麥克斯韋(Maxwell)方程組及邊界條件或商用軟件(Comsol Multiphysics,有限元矩陣法FDTD等)可求得在諧振腔內(nèi)的共振模式。分支諧振腔的剖面為矩形，長度d在IOOnm IOOOnm之間；寬度w在IOnnTlOOOnm
之間。分支諧振腔和介質(zhì)層為相同的介質(zhì)。這種單一的分支諧振腔典型地體現(xiàn)出具有幾乎對稱的類洛倫茲線型的寬帶透過譜?；趩我坏姆种еC振腔效果的應(yīng)用，這種線型極大地限制了表面等離激元分束器 和波分復(fù)用器的波長分辨率(大于200nm)。為了解決這個(gè)問題，在MIM波導(dǎo)中增加兩個(gè)擋板，形成耦合諧振腔。兩個(gè)擋板的材料采用高折射率的介質(zhì)或金屬。擋板的厚度為lnnTlOOnm。在只有兩個(gè)擋板而沒有分支諧振腔的MIM結(jié)構(gòu)中，很容易得到表面等離激元SPPs會在這兩個(gè)擋板之間來回反射，從而形成一個(gè)法布里-拍羅諧振腔(Fabry-Perot) FP諧振腔。在同時(shí)具有擋板和分支諧振腔的MIM結(jié)構(gòu)中，不同的諧振腔互相耦合，極大地影響透過譜，產(chǎn)生陡的非對稱的響應(yīng)譜線型，得到法諾共振現(xiàn)象。由于這種透過譜具有產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的陡的非對稱的響應(yīng)譜線型，透過率能夠迅速地從非對稱的光譜的波谷上升至波峰。在得到相同的開關(guān)對比度情況下，這種非對稱響應(yīng)譜線型所需的波長偏移或間隔比在單一的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的對稱的類洛倫茲線型的譜寬小得多，從而有利于降低表面等離激元調(diào)制器的泵浦能量的閾值，或增加表面等離激元波分復(fù)用器的波長分辨率及生物傳感器的靈敏度。因此這種陡的非對稱的響應(yīng)譜線型在表面等離激元調(diào)制器、分束器、波分復(fù)用器以及傳感器等領(lǐng)域均有非常重要的應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用在MIM波導(dǎo)中的分支諧振腔和兩個(gè)擋板的耦合諧振腔，不同的諧振腔互相耦合，產(chǎn)生陡的非對稱的響應(yīng)譜線型，得到法諾共振現(xiàn)象。在這種透過譜中，透過率能夠迅速地從非對稱的光譜的波谷上升至波峰。從而，在得到相同的開關(guān)對比度的情況下，所需的波長偏移或間隔比單一的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的對稱的類洛倫茲線型的譜寬小得多，從而有利于降低表面等離激元調(diào)制器的泵浦能量的閾值，或增加表面等離激元波分復(fù)用器的波長分辨率及生物傳感器的靈敏度。因此本發(fā)明的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔在表面等離激元調(diào)制器、分束器、波分復(fù)用器以及傳感器等領(lǐng)域均有非常重要的應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明的產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔的剖面圖；圖2 Ca)和(b)分別為本發(fā)明的產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔在L1=L2=L=IlOnm 和 L1=L2=L=ZOOnm 下的透過譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明的產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)、以及在MIM波導(dǎo)內(nèi)的分支諧振腔4和兩個(gè)擋板5 ;其中，MIM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu)，第一層I和第三層3為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層2 ;分支諧振腔4從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)M波導(dǎo)的介質(zhì)層2 ;兩個(gè)擋板5垂直設(shè)置在介質(zhì)層2內(nèi)，并分別位于分支諧振腔4的兩側(cè)；分支諧振腔4和介質(zhì)層2為相同的介質(zhì)；為二維結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中,MIM波導(dǎo)的第一層I和第三層3的金屬為銀,介質(zhì)層2和分支諧振腔的介質(zhì)為空氣，兩個(gè)擋板5為金屬銀Ag。為了研究這種稱合效果，采用有限元法(finite element method)FEM和傳輸矩陣?yán)碚撨M(jìn)行數(shù)值和解析計(jì)算。在本實(shí)施例中，擋板采用銀Ag ;MIM波導(dǎo)的介質(zhì)層的厚度h=50nm ;分支諧振腔的長度d和寬度w分別為d=500nm和w=50nm。這種結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是任意的,FP諧振腔的幾何參數(shù)可調(diào)，從而可以達(dá)到期望的波長。SPPs的透過譜定義為具有分支諧振腔和兩個(gè)擋板的結(jié)構(gòu)與沒有這種結(jié)構(gòu)的觀察點(diǎn)的能流的商。能流通過在通道的橫截面的玻印亭矢量歸一化得到。通過改變輸入波長λ得到透過譜?？梢詮奈墨I(xiàn)中獲得以λ為函數(shù)的Ag的電介常數(shù)，并且利用插值法將其擴(kuò)展。基于散射矩陣?yán)碚摰姆治瞿Ｐ陀脕砻枋龊徒忉尡景l(fā)明的在耦合諧振腔中的透過
-i'Tfe P曰。如圖2 Ca)和(b)所示，第一個(gè)擋板位于分支諧振腔的距離L1，第二個(gè)擋板位于分支諧振腔的距離L2,兩個(gè)擋板的厚度分別為和t2,當(dāng)L1=L2=L=IlOnm和L1=L2=L=ZOOnm,ti = t2=10nm時(shí),在稱合諧振腔中顯示出陸的非對稱的響應(yīng)譜線型,產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象,在圖2中以實(shí)線表示，與在單一的分支諧振腔中的透過譜的線型相比完全不同。在單一的分支諧振腔中的透過譜的線型為幾乎對稱的類洛倫茲線型，在圖2中以虛線表示，共振波長XQ=970nm,帶寬Δ λ FWHM 180nm。同樣可以看到,在稱合諧振腔中，透過譜能夠迅速地從非對稱的光譜的波谷上升至波峰。而且，光譜的波谷的位置固定在λ fgTOnm，也就是分支諧振腔的共振波長；而光譜的波峰的位置隨著兩個(gè)擋板的位置的改變而改變。因此，通過改變兩個(gè)擋板的位置，能夠很容易調(diào)制陡的非對稱的響應(yīng)譜線型。在MIM波導(dǎo)中，只設(shè)置有兩個(gè)擋板而沒有分支諧振腔，可以看到，兩個(gè)擋板的光譜(在圖2中以點(diǎn)實(shí)線表示)包括平坦的光譜和類洛倫茲共振峰，保持了耦合諧振腔的透過譜中除了非對稱部分的光譜性質(zhì)，如圖2 (a)和(b)中白色的部分所示。在耦合諧振腔中的非對稱的響應(yīng)譜線型是由分支諧振腔和形成在內(nèi)部的FP諧振腔的共振波長的相對位置決定的。由于這種具有產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的陡的非對稱的響應(yīng)譜線型的透過譜能夠使透過率迅速地從非對稱的光譜的波谷上升至波峰，在得到相同的開關(guān)對比度情況下，這種非對稱響應(yīng)譜線型所需的波長偏移或間隔，比在單一的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的對稱的類洛倫茲線型的譜寬小得多。例如，當(dāng)擋板的位置L1=L2=L=IlOnm,對于相同的開關(guān)對比度(0%飛1%)，法諾共振所需的波長偏移為△ λ =30nm，比具有對稱的類洛倫茲線型的響應(yīng)譜的波長偏移(Δλ, =IlOnm)小得多，如圖2 (a)所示。而且，對于L1=L2=L=IlOnm,當(dāng)波長位移同為Δ λ =30nm時(shí)，在單一的諧振腔情況下，開關(guān)對比度為0% 9%，而在本發(fā)明的諧振腔中，對比度為0%飛1%，是傳統(tǒng)情況下的7倍。這有利于降低表面等離激元調(diào)制器的泵浦能量閾值，或增加表面等離激元波分復(fù)用器的波長分辨率及生物傳感器的靈敏度。最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種金屬-介質(zhì)耦合諧振腔，其特征在于，所述耦合諧振腔包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)、以及在MIM波導(dǎo)內(nèi)的分支諧振腔(4)和兩個(gè)擋板(5);其中，所述MIM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu)，第一層(I)和第三層(3)為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層(2);所述分支諧振腔(4)從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)M波導(dǎo)的介質(zhì)層(2)上；所述兩個(gè)擋板(5)垂直設(shè)置在介質(zhì)層(2)內(nèi)，并分別位于所述分支諧振腔(4)的兩側(cè)。
2.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述MM波導(dǎo)的第一層(I)和第三層(3)采用金或銀等。
3.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述介質(zhì)層(2)的厚度h在10納米至I微米之間。
4.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述分支諧振腔(4)的剖面為矩形，長度d在100nm 1000nm之間；寬度w在IOnnTlOOOnm之間。
5.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述分支諧振腔(4)和介質(zhì)層(2)為相同的介質(zhì)。
6.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述兩個(gè)擋板(5)的材料采用高折射率的介質(zhì)或金屬。
7.如權(quán)利要求I所述的耦合諧振腔，其特征在于，所述兩個(gè)擋板(5)的厚度為lnm 100nmo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生法諾共振現(xiàn)象的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔。本發(fā)明采用在MIM波導(dǎo)中的分支諧振腔和兩個(gè)擋板的耦合諧振腔，不同的諧振腔互相耦合，產(chǎn)生陡的非對稱的響應(yīng)譜線型，得到法諾共振現(xiàn)象。在這種透過譜中，透過率能夠迅速地從非對稱的光譜的波谷上升至波峰。從而，在得到相同的開關(guān)對比度的情況下，所需的波長偏移或間隔比單一的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的對稱的類洛倫茲線型的譜寬小得多，從而有利于降低表面等離激元調(diào)制器的泵浦能量的閾值，或增加表面等離激元波分復(fù)用器的波長分辨率及生物傳感器的靈敏度。因此本發(fā)明的金屬-介質(zhì)耦合諧振腔在表面等離激元調(diào)制器、分束器、波分復(fù)用器以及傳感器等領(lǐng)域均有非常重要的應(yīng)用。
文檔編號G02B6/122GK102928912SQ201210458329
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者陳建軍, 李智, 張茹, 肖井華 申請人:北京郵電大學(xué)