计算物理 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 57-64.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8828
收稿日期:
2023-09-04
出版日期:
2025-01-25
发布日期:
2025-03-08
通讯作者:
关建飞
作者简介:
许蒲城, 男, 硕士研究生, 研究方向为微纳光学器件的结构设计与性能仿真, E-mail: xpc7410@163.com
基金资助:
Pucheng XU(), Jianfei GUAN*(
)
Received:
2023-09-04
Online:
2025-01-25
Published:
2025-03-08
Contact:
Jianfei GUAN
摘要:
提出一种金属-电介质-金属(MDM)波导侧向耦合M型谐振腔实现高灵敏度折射率传感的等离激元波导结构。采用有限元分析法定量分析谐振腔结构参数及填充介质折射率对MDM波导透射谱线的定量影响。仿真结果显示: M型腔中的一到四阶类法布里-珀罗(FP)谐振模式与MDM主波导中金属挡板产生的反射导波模式进行耦合干涉形成四重Fano共振透射峰。该透射峰不仅具有非对称谱线形状及陡峭边沿分布, 而且峰值波长随腔长及填充媒质折射率的改变呈现近似线性变化的规律。选取长宽为400 nm×400 nm的M型谐振腔可以产生最高灵敏度为4 900 nm/RIU的一阶Fano共振透射峰。计算结果显示: 传感灵敏度与谐振腔长成正比及与谐振阶次成反比的变化规律, 为高灵敏度传感器的设计提供参考。
许蒲城, 关建飞. MDM波导耦合M型谐振腔的折射率传感性能[J]. 计算物理, 2025, 42(1): 57-64.
Pucheng XU, Jianfei GUAN. Analysis of Refractive Index Sensing Performance of MDM Waveguide Coupled with an M-shaped Resonant Cavity[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2025, 42(1): 57-64.
图3 四重透射峰值对应的磁场Hz强度分布图 (a) λ=1 018 nm; (b)λ=1 387 nm; (c)λ=2 042 nm; (d)λ=4 075 nm
Fig.3 Magnetic field distributions corresponding to quadruple transmittance extrema in blue transmission spectra shown in Fig. 2 (a) λ=1 018 nm; (b)λ=1 387 nm; (c)λ=2 042 nm; (d)λ=4 075 nm
图4 M型腔高度S1对透射谱线的影响(a)不同S1值对应的透射谱线; (b) Fano共振峰波长与S1的关系
Fig.4 Transmission characteristics of MDM waveguide coupled with M-shaped cavity with heights S1 (a) transmission spectra with S1; (b) linear fitting between the resonant wavelengths and S1
图5 M型腔横向宽度a对透射谱线的影响(a) 不同a值对应的透射谱;(b) Fano谐振波长与a的关系
Fig.5 Transmission characteristics of MDM waveguide coupled with the M-shaped cavity with widths a(a) transmission spectra with a; (b) linear fitting between the resonant wavelengths and a
图6 不同耦合间距g下的透射特性(a)透射谱线; (b)峰值半高宽; (c)透射峰Q
Fig.6 Transmission characteristics of the MDM waveguide system with g (a) transmission spectrums; (b) transmittance peaks' FWHM; (c) evolution of Q
图7 边长S1=350 nm, a=50 nm的M型腔内介质折射率对透射谱线的影响(a)不同介质折射率产生的透射谱线; (b)峰值波长与介质折射率n的关系; (c)透射峰的灵敏度及FOM值
Fig.7 Transmission characteristics of MDM waveguide coupled with M-shaped resonator with S1=350 nm and a=50 nm for deferent refractive indexes n (a) transmission spectra for five different refractive indexes n; (b) linear fitting between resonant wavelengths and refractive indexes n; (c) evolution of sensitivity and FOM with resonant order
图8 边长S1=400 nm, a=100 nm的M型腔内介质折射率对透射谱线的影响(a) 不同介质折射率产生的透射谱线;(b) 峰值波长与介质折射率n的关系;(c) 透射峰的灵敏度及FOM值
Fig.8 Transmission characteristics of the MDM waveguide coupled with an M-shaped resonator with S1=400 nm and a=100 nm for deferent refractive indexes n (a) transmission spectra for five different refractive indexes n; (b) linear fitting between the resonant wavelengths and refractive indexes n; (c) evolution of sensitivity and FOM with resonant order
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杨韵茹, 关建飞. 基于金属-电介质-金属波导结构的等离子体滤波器的数值研究[J]. 物理学报, 2016, 65(5): 057301.
|
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12 |
陈颖, 曹景刚, 许扬眉, 等. 双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性[J]. 中国激光, 2019, 46(2): 0213001.
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22 |
关建飞, 陈陶. 金属-电介质-金属波导耦合开口环形腔的高灵敏度传感特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2023, 43(6): 1746- 1751.
|
23 |
蒋和伦, 刘启能. 金属介电常数的色散模型对光学Tamm态的影响[J]. 计算物理, 2016, 33(5): 547- 553.
DOI |
24 |
关建飞, 陈陶. 含支节金属-介质-金属型等离激元波导的传输线计算模型[J]. 计算物理, 2023, 40(4): 473- 481.
DOI |
[1] | 关建飞, 陈陶. 含支节金属-介质-金属型等离激元波导的传输线计算模型[J]. 计算物理, 2023, 40(4): 473-481. |
[2] | 温小静, 屈瑜, 陈城钊. 双层开口环的圆二色性数值研究[J]. 计算物理, 2019, 36(3): 357-362. |
[3] | 梁艳萍, 丁新, 陈元琦, 于鸿浩. 比例边界有限元法在电机电磁场问题中的应用[J]. 计算物理, 2017, 34(2): 205-213. |
[4] | 孙晨扬, 李启良, 杨志刚. 最小二乘有限元法求解非定常应力的Navier-Stokes方程[J]. 计算物理, 2015, 32(1): 13-19. |
[5] | 孙海. 填充右左手材料矩形屏蔽微带线色散特性的比较研究[J]. 计算物理, 2014, 31(5): 593-601. |
[6] | 周志阳, 聂存云, 舒适. 一种二阶混合有限体元格式的GAMG预条件子[J]. 计算物理, 2011, 28(4): 493-500. |
[7] | 张来平, 刘伟, 贺立新, 赫新, 邓小刚. 基于静动态重构的高阶DG/FV混合格式在二维非结构网格中的推广[J]. 计算物理, 2011, 28(2): 188-198. |
[8] | 李亚军, 姚军, 黄朝琴, 张凯. 考虑渗透率张量的非均质油藏有限元数值模拟方法[J]. 计算物理, 2010, 27(5): 692-698. |
[9] | 刘鹏. 三维粗糙面电磁双站散射的直接型区域分解计算[J]. 计算物理, 2010, 27(1): 73-81. |
[10] | 范春利, 孙丰瑞, 杨立. 二维不规则形状发热型缺陷的红外识别算法[J]. 计算物理, 2009, 26(6): 897-902. |
[11] | 马晨明. 基于有限元方法的Kirchhoff板上动态分布载荷的辨识[J]. 计算物理, 2007, 24(4): 426-432. |
[12] | 张石峰, 李茜, 高佩玲. 天然差分目的在地下水渗流问题中的应用[J]. 计算物理, 2007, 24(3): 307-312. |
[13] | 张烈辉, 张锦良, 徐冰青. 变形双重介质分形气藏非线性渗流理论模型及数值研究[J]. 计算物理, 2007, 24(1): 90-94. |
[14] | 刘鹏, 许家栋. 曲边六面体矢量单元的改进与应用[J]. 计算物理, 2002, 19(4): 329-332. |
[15] | 王祥三. 蛟路江河口海域污染分析及非线性扩散数值解[J]. 计算物理, 2001, 18(2): 138-142. |
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