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光纤端面微型传感单元的共振模式及影响因素.docx
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光纤端面微型传感单元的共振模式及影响因素.docx
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摘要
首先在光纤端面设计一种由金光栅-介质-金薄膜构成的复合结构,并研究多种共振模式随介
质层厚度的变化及其场分布特点。然后研究限制在金光栅和金薄膜纳米级间距的波导共振
模,通过反射谱的变化和谐振模式的电场分布特点研究不同阶次的纳米谐振效应。此外,还
仿真计算金光栅的宽度、厚度及周期、中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对纳米
谐振腔光谱特性的影响,根据波导模干涉的相位差公式定性分析其谐振频率的变化,并计算
获得纳米谐振腔对腔内介质折射率和腔长的灵敏度。最后,搭建微位移平台,验证光纤端面
与金薄膜所构成的 Fabry-Perot 干涉光谱随间距的变化,并提出光纤端面纳米谐振结构的实
现方案。
Abstract
First, a composite structure composed of gold grating, medium, and gold film is designed
on the end face of optical fiber, and the variation of various resonance modes with the
thickness of medium layer and their field distribution characteristics are studied. Then,
the waveguide resonant modes limited to the nanometer spacing between the gold
grating and the gold film are studied. The different order of nanometer resonance effects
are studied by the variation of the reflection spectrum and the electric field distribution
characteristics of the resonant mode. In addition, the simulation calculation of gold
grating width, thickness, and cycle, intermediate medium layer refractive index and
thickness of gold film changes on the spectral characteristics and the effect of nano-
resonator based on waveguide mode interference phase difference formula of the
qualitative analysis of the change of resonance frequency, and calculate the obtained
nano-cavity on the sensitivity of the refractive index and the length of cavity medium.
Finally, a micro-displacement platform is built to verify the Fabry-Perot interference
formed spectrum with the distance between the optical fiber end face and the gold film,
and the realization scheme of the optical fiber end face nano-resonance structure is
proposed.
1 引言
光纤具有端面尺寸小、能够长距离传输以及良好的生物相容性等优点,易于集成微型功能单
元或材料,能够作为微纳光学器件的集成平台
[1-2]
。在一根光纤上集成光学器件和微缩光路能
够形成新型集成光学器件和光学微系统,这一核心思想能够促进光纤集成技术的发展。近年
来,LOF(Lab on Fiber)技术已成为光纤集成技术的研究热点之一
[3-5]
。LOF 技术结合纳米光
子学成像技术和日渐成熟的微纳加工技术可以开发出新型光纤探针,该器件能够在小型化、
功能化和整体性等方面发挥较好的优势。LOF 技术的关键在于选择合适的可功能化材料和
根据实现原理设计功能性的微纳结构,将它们与光纤进行高度集成可以实现器件的小型化和
一体化,从而进一步推动全光纤技术的发展
[6-7]
。
光纤端面是一个独特的且非常规的微纳器件集成平台,目前已经有许多研究人员在光纤端面
上设计、加工了图案结构并成功实现了传感。2011 年,Chen 等
[8]
在光纤端面上刻蚀具有同
心圆的金属光栅得到了圆柱矢量光束。2018 年,Quero 等
[9]
在光纤端面上利用电子束刻蚀技
术得到了圆柱纳米结构,利用该结构成功实现了 4.0,4.5,5.0 kHz 频率的声波探测。2019
年,Kim 等
[10]
在光纤端面上刻蚀了金属方形阵列并制造出一种用于多参数传感的纳米探针,该
器件成功实现了折射率和温度的双参数传感。科研人员虽然在光纤端面上成功加工了图案
并实现了传感,但其设计多是基于单层图案结构。由于光纤的模场半径较小和单层微纳结构
的消光效率较低,所以该类结构对光纤出射光的利用率较低。
若在光纤端面上集成光学谐振腔结构可以使出射光在微纳谐振腔内形成强烈共振,能够解决
单层图案结构光利用率低的问题,从而使光纤器件达到一个新的维度。金属纳米结构-介质-
金属反射镜结构具有超强的光场约束、超小的光学单元尺寸和可集成化等优点,已成为微纳
谐振结构的强有力选择
[11]
。2010 年,Hao 等
[12]
仿真计算了金方盘-介质-金属结构中方盘的边
长对共振模的影响。2015 年,Lu 等
[13]
设计了金属圆环-介质-金属结构并数值仿真计算了外
界环境折射率对共振模的影响。2016 年,Giaquinto 等
[14]
在光纤端面上设计了金属光栅-介
质-金属结构,并仿真计算了金属光栅宽度及介质层厚度对共振模的影响。2018 年,Luo 等
[15]
设计了掺有 MoS
2
的金光栅-介质-金属结构,并仿真计算了金光栅厚度对共振模的影响。虽
然科研人员研究了影响金属纳米结构-介质-金属薄膜结构中共振模的部分因素,但并未对共
振模式的演变、模式的形成原因、特点及其影响因素进行系统性的研究,因此对单元结构中
所支持模式的形成、特点及其影响因素进行透彻的研究是非常有必要的。
本文以典型的金光栅-介质-金纳米薄膜所构成的谐振腔结构作为研究对象,建立了二维结构
模型并分析结构在不同介质层厚度下所产生的多种共振模式以及模式的形成机理和特点,该
设计为结构在不同模式下的实际应用提供理论依据。特别的是,本文重点研究金光栅和金薄
膜之间的距离小于半波长的纳米谐振腔效应,研究腔内光学波导模式(即 TM
0
表面等离子体
波)在干涉的情况下不同共振模式的电场分布情况;仿真分析金光栅的宽度、厚度和周期,以
及中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对模式干涉和光谱特性的影响;计算纳米谐振
腔对腔内介质折射率和腔长变化的灵敏度。本文的研究工作加深了对纳米谐振腔结构光学
特性的理解,为在光纤端面的实现和应用提供基础。
2 谐振腔共振模式的分析
为了分析金光栅-介质-金纳米薄膜复合结构在不同介质层厚度下的共振模式,利用 FDTD
Solutions 软件对谐振腔结构(图 1)的反射光谱进行计算,其中 t
m
为覆有金属薄膜的反射镜的
厚度,t 和 n 分别为中间介质层的厚度和折射率,t
g
、W 和 P 分别为金属光栅的厚度、宽度和
周期。仿真过程中选用 PMMA(Polymethyl Methacrylate)作为中间介质层,其折射率为
1.49
[16]
,金的介电常数采用 Johnson 等
[17]
提供的测量数据,光纤的介电常数使用 Malitson
[18]
提供的测量数据。
图 1. 金光栅-介质-金纳米薄膜复合结构的二维仿真模型
Fig. 1. Two-dimensional simulation model of gold grating-insulator-gold film
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设定金光栅的周期 P=900 nm,高度 t
g
=120 nm,宽度 W=800 nm,覆有金属薄膜的反射镜的厚
度 t
m
=100 nm。当介质层厚度 t 不同时,微纳谐振结构在 TE(Transverse Electric)和
TM(Transverse Magneticmode)光照射下的反射光谱如图 2 所示。从图 2(a)可以看到,当入
射光为 TE 光时,该结构主要支持两类共振模式,一类是实线所标注的 F-P(Fabry-Perot)共振,
这是由于 TE 光透过狭缝后传播到底部反射镜产生反射,这部分反射光会与金光栅顶部的反
射光形成干涉,复合结构在 TM 光照射下也可找到相同的 F-P 共振模式,如图 2(b)所示。图
2 中不同斜率的直线则代表不同级数的 F-P 干涉。在 TE 光照射下,另一类模式则存在于较
厚介质层所构成的复合结构,其谐振波长主要位于短波长范围,且波长随着介质层厚度 t 的增
加而发生红移并趋于稳定,相同结构在 TM 光照射下也存在类似的模式。该类模式的形成可
以归结于波导结构的形成,即金光栅、金薄膜和中间介质层构成了金属狭缝波导,TE 和 TM
入射光均会透过金光栅后耦合到波导中。
当入射光为 TM 光时,复合结构除了能够支持 F-P 干涉模式和波导模式外,从图 2(b)还可看
到周期性光栅结构所支持的布洛赫模式(SPP-BW,虚线),其共振波长在不同的介质层厚度下
均保持不变,以及金光栅-介质-金膜所支持的 TM
0
波导共振模式(点划线),其共振波长随着介
质层的厚度减小而缓慢红移,当介质层厚度减少到 100 nm 以下时,共振波长随介质层的厚度
减小而快速红移。
图 2. 不同入射光下谐振腔的反射光谱。(a) TE 光入射;(b) TM 光入射
Fig. 2. Reflection spectra of resonator under different incident light. (a) TE light
incident; (b) TM light incidence
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为了进一步研究不同模式下的光学特性,在图 2(b)中选取介质层厚度 t=30 nm 和 t=600 nm
的复合结构来研究其在 TM 光照射下的反射光谱,如图 3 所示,其中 R 为反射率。从图 3(a)
可以看到,当 t=30 nm 时,1671.69,985.84,795.22 nm 的谐振波长对应三个不同阶数的 TM
0
共振模式,1300.38 nm 的谐振波长对应金光栅-光纤界面处的布洛赫模式。从图 3(b)可以看
到,当介质层厚度 t 增加到 600 nm 时,不同阶数下 TM
0
共振模式的波长均发生蓝移,而布洛
赫模式的共振频率保持不变,此外 957.16 nm 和 1868.91 nm 波长处的 F-P 共振模式出现
在图谱中。
图 3. 不同介质层厚度下 TM 光入射的反射光谱。(a) 30 nm;(b) 600 nm
Fig. 3. Reflection spectra of TM light incident at different dielectric layer thicknesses.
(a) 30 nm; (b) 600 nm
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