[发明专利]一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，具体涉及一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）SPPs是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，可以通过求解在金属-介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，可突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应。因此，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。

目前，由于表面等离激元波导能够突破光的衍射极限而引起了极大地关注，并被认为是在亚波长结构中最有希望的替代者。在多种多样的表面等离激元波导中，在金属-介质-金属MIM波导中的表面等离激元SPP模式，能够极大地突破传统的衍射极限，并具有比较长的传播距离、小的弯曲损耗和样品加工的简易性。因此，MIM波导对实现高集成光子学回路具有很重要的应用前景。基于MIM波导，人们设计并实现了很多紧凑的表面等离激元光子器件，例如：滤波器、环形谐振腔、分束器和波分复用器。然而，这些单一的谐振腔典型地体现为具有几乎对称的类洛伦兹线型。为了得到高对比度的调制、波长滤波、分束和波分复用等光子器件，波长的偏移或间隔必须远大于谐振腔的带宽，从而严重限制了这些表面等离激元功能器件的应用。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种能产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔。通过耦合谐振腔效应，得到陡的非对称的响应谱线型，即法诺共振现象，从而显著地提高表面等离激元功能器件的性能。

本发明的目的在于提供一种产生法诺共振现象的金属-介质耦合谐振腔。

本发明的金属-介质耦合谐振腔包括：金属-介质-金属MIM波导、以及在MIM波导内的分支谐振腔和两个挡板；其中，MIM波导为三层平板结构，第一层和第三层为金属材料，二者之间为介质层；分支谐振腔从侧面耦合在金属-介质-金属MIM波导的介质层上；两个挡板垂直设置在介质层内，并分别位于分支谐振腔的两侧。

MIM波导的第一层和第三层采用金或银等金属。介质层的厚度h在10纳米至1微米之间。在MIM波导中，表面等离激元场强能很好的束缚在介质层里，能极大的突破衍射极限，达到深亚波长尺寸。

分支谐振腔从侧面耦合在MIM波导的介质层上。由电磁场理论可知，在具有一定边界条件的谐振腔内，电磁场只能存在一系列离散的本征模式，通过麦克斯韦（Maxwell）方程组及边界条件或商用软件（Comsol Multiphysics，有限元矩阵法FDTD等）可求得在谐振腔内的共振模式。

分支谐振腔的剖面为矩形，长度d在100nm～1000nm之间；宽度w在10nm~1000nm之间。分支谐振腔和介质层为相同的介质。这种单一的分支谐振腔典型地体现出具有几乎对称的类洛伦兹线型的宽带透过谱。基于单一的分支谐振腔效果的应用，这种线型极大地限制了表面等离激元分束器和波分复用器的波长分辨率（大于200nm）。为了解决这个问题，在MIM波导中增加两个挡板，形成耦合谐振腔。

两个挡板的材料采用高折射率的介质或金属。挡板的厚度为1nm~100nm。在只有两个挡板而没有分支谐振腔的MIM结构中，很容易得到表面等离激元SPPs会在这两个挡板之间来回反射，从而形成一个法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Perot）FP谐振腔。

在同时具有挡板和分支谐振腔的MIM结构中，不同的谐振腔互相耦合，极大地影响透过谱，产生陡的非对称的响应谱线型，得到法诺共振现象。

由于这种透过谱具有产生法诺共振现象的陡的非对称的响应谱线型，透过率能够迅速地从非对称的光谱的波谷上升至波峰。在得到相同的开关对比度情况下，这种非对称响应谱线型所需的波长偏移或间隔比在单一的谐振腔内产生的对称的类洛伦兹线型的谱宽小得多，从而有利于降低表面等离激元调制器的泵浦能量的阈值，或增加表面等离激元波分复用器的波长分辨率及生物传感器的灵敏度。因此这种陡的非对称的响应谱线型在表面等离激元调制器、分束器、波分复用器以及传感器等领域均有非常重要的应用。

本发明的优点：