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随着科学技术飞速发展,集成光学对光通信系统及其组成器件的集成密度要求越来越高。由于表面等离子体波能够把能量严格地限制在金属与介质的分界面处,存在很好的场约束效应,所以在高密度集成的光子回路中展现出了巨大的应用前景。基于表面等离子体探测技术的传感器具有灵敏度高,实时监测等优点,目前在医疗、化工、食品、环境等领域已经有了广泛的应用。
以往的理论和实验研究主要集中在SPPs结构与集成光波导的传导特性和简单线性元件等方面的研究,所讨论的器件均为结构完全固定或功能被动不可调的元器件。此外,已有的集成传感器件主要是基于周期性Bragg结构的,作用区域有数微米,电控或光控所需的功耗很高。因此,研究和探讨内部结构对传感性能的影响及可控性问题,通过控制器件内部相关物理参数的变化实现高效可调谐功能、促进纳米集成光子器件更加实用化,正是本课题研究的重点,也是我们的创新与特色。这篇文章中所提出的新型的基于表面等离子体的折射率传感器是基于分裂波导模型和金属中的空腔型模式耦合设计的。理论分析及模拟结果均显示此传感器探测的峰值波长与被探测物质折射率之间是线性关系。基于这种关系,待测物质折射率可以通过探测透射峰波长得到。通过优化器件的结构参数,此纳米传感器的折射率灵敏度可高达10-6。
1、首次提出了一种新型表面等离子体波导结构的折射率传感器,它是由宽度有限的两个矩形介质条和包覆矩形介质条的金属共同组成的MIM结构。这种新型的波导结构将表面等离子体波的传输特性和F-P腔波长选择特性结合起来,在实现局域场增强的同时又实现了良好的场约束效应,而且反射光谱中的透射峰值波长的移动对待测介质折射率的变化非常敏感。
2、对结构模型的色散特性进行理论分析和数值解析计算,得出了表面等离子体波导的色散关系,并对所设计的新型传感器结构的传输特性进行了严谨的理论推导验证。
3、利用时域有限差分算法对该器件的性能进行了模拟,深入分析了影响该传感器探测灵敏度的主要因素。验证了基于表面等离子体的金属包覆介质波导结构几何参数(如耦合腔长度和分支波导宽度)的改变是提高探测灵敏度的主要因素。通过优化结构的几何参数使得器件的探测灵敏度得到了很大的提高。当介质波导的宽度在10nm量级时,折射率与波长的相对灵敏度可达到10-6量级。
本论文通过对表面等离子体波光波导的研究和分析,提出了一种新型的基于表面等离子体波的折射率传感器。这种传感器对待测介质折射率的变化非常敏感,灵敏度高,可被应用于高灵敏度的生物传感器研究领域。且这种平板波导结构传感器具有简单易实现,高度集成的优点,因此在未来的集成光器件领域有着广阔的应用前景。