基于表面等离激元的多边形传感器性能优化

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表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是入射光与金属表面的自由电子相互作用形成的一种电磁表面波。当二者频率相同时发生谐振,金属的自由电子与入射光子间的相互作用达到最强,其电磁场的能量被束缚在金属表面,使表面等离激元波会沿分界面传播。并且表面等离激元可以突破衍射极限的限制,凭借其优秀的光学性质,科研人员可以将光学器件的尺寸做到微纳级别。近年来基于金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)的表面等离子体波导被广泛研究,该结构更适合做成高集成度、高灵敏度光学器件,用以实现光子在亚波长尺寸的灵活操控,如光开关、滤波器、传感器等。本文的研究着眼于提升MIM型波导的多边形传感器性能。从一个具有良好Fano共振效应的六边形传感器结构入手,通过在其基础结构上增加齿形腔体、弧形腔体等手段,达到在原有结构基础上产生独立可调节的多重Fano峰。本文的主要内容包括以下几个方面:首先,本文介绍了表面等离激元与Fano共振的基础理论,并从麦克斯韦方程推导出了表面等离激元的基本原理。随后,介绍了其激发方式和色散方式。对于本文后续理论分析用到的MIM结构、耦合模理论(CMT)以及金属的Drude模型进行了概述。并且对于本文进行理论仿真所需要用到的COMSOL软件和该软件的工作原理(FEM)进行了基本阐述。随后,基于上文的理论知识,本文提出了一种含有挡板的具有独立可调性的六边形波导传感器结构,同时使用COMSOL软件和CMT方法对该结构进行了详细的分析。并且,对该光学微纳结构进行了优化,又提出了两种新型的含有挡板的多Fano结构,这两种结构均在原有结构的基础上产生了更好的传感特性和可调性。本文的创新点在于对于多边形结构的深入探究,并总结了对于多边形结构多Fano的优化方案。本文提出的结构均具有良好的传感器特性,FOM值达了4.5 × 104和灵敏度达到了 1500nm/RIU。综上所述,本文对于传感器优化方向的总结和新型结构的提出,对于高集成度微纳传感器的未来发展起到了积极的促进作用。
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