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摘要
摘要
表面等离极化激元(SurfacePlasmonPolaritoms,SPPs)是指当外部入射光和
金属表面的自由电子频率一致时,在金属-介质(Metal-Insulator,MI)界面产生的
一种集体振荡现象。其光场的能量主要集中在MI界面,且呈指数形式衰减。由于
其独特的光学特性,可以打破传统的光学衍射的限制,且在深亚波长尺寸范围内高
度局域化,可以为器件小型化、集成化提供一定的可能。基于金属-介质-金属
(Metal-Insulator-Metal,MIM)结构的波导具有易加工、高度集成、损耗小、可靠
性高等优点,可以很好的应用于片上微纳光学器件,因此受到了人们的广泛关注。
与此同时,基于SPPs的MIM波导可以形成Fano共振,Lorentz共振,等离子体
诱导透明现象(PlasmonicallyInducedTransparency,PIT)等,可以很好的应用于
传感、滤波、慢光等领域。本文我们主要研究了基于SPPs的MIM波导折射率传
感器,将其应用于生物传感领域。同时,考虑到其优秀的等离子体诱导透明特性,
将其应用于慢光器件,延迟线等微纳器件中。本文的主要研究工作如下:
(1)研究设计了一种基于钥匙形可独立调谐的折射率传感器,并将其应用于
生物传感领域,用于检测血浆的浓度。通过使用AnsysLumericalFDTD软件对该
结构的光谱响应进行仿真,并利用多模耦合模式理论(MultimodeInterferometric
CoupledModeTheory,MICMT)进行理论分析。将仿真结果和理论计算结果进行
对比,其结果保持高度一致。通过控制变量法,分析几何参数的变化对透射光谱的
影响。紧接着,对该结构的传感性能进行了计算,可以得到该结构的最大灵敏度(S)
*
可以达到1520nm/RIU,最大品质因子(FOM)可以达到195.89。由于其优秀的传
感性能,可以将其应用于生物传感领域,用来检测人体血浆的浓度。通过仿真分析,
其血浆传感器的最大灵敏度可以达到3.07nm·L/g,具有较高的检测灵敏度。
(2)研究设计了一种基于D形谐振腔的折射率传感器,同时由于其存在的等
离子体诱导透明效应,考虑将其应用于慢光器件中。通过使用COMSOL
Multiphysics软件将其电磁仿真过程进行模拟,得到其结构的光谱响应。接下来将
数值计算结果和理论结果进行对比,其结果保持高度一致,验证了其仿真结果的正
确性。此外,还分析了结构参数变化对其光谱响应的影响。对于该结构的传感特性
*
我们也进行了相应的分析,其最大灵敏度可以达到1300nm/RIU,最大FOM值可
以达到181.44。紧接着我们对该结构的慢光特性进行了相应的研究,其最大群延迟
可以达到0.24ps,最大群速度可以达到48.93。此外还对D形谐振腔的个数和群延
迟、群速度之间的关系进行了分析,并考虑将其应用于延迟线中。
I
摘要
本文研究设计了两种基于SPPs的MIM波导结构器件,并将其应用于折射率
传感器、生物传感器、慢光器件以及延迟线等微纳光学器件中,为微纳光学器件的
集成化,小型化以及多功能化提供了一定的参考价值。
关键词:表面等离极化激元;折射率传感器;生物传感;群延迟;MIM波导
II
Abstract
Abstract
SurfacePlasmonPolaritoms(SPPs)arecollectiveoscillationsattheMetal-Insulator
(MI)interfacewhenth
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