论文标题：Refractive Index Sensing Based on Multiple Fano Resonances in a Split-Ring Cavity-Coupled MIM Waveguide（基于分裂环腔耦合MIM波导中多个Fano共振的折射率传感）

期刊：Photonics

作者：Jianfeng Chen, Hao Yang, Zhiyuan Fang, Ming Zhao and Chenbo Xie

发表时间：24 October 2021

DOI：10.3390/photonics8110472

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/photonics

原文作者简介

第一作者：陈剑峰 博士

中国科学院

陈剑峰，博士，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心激光雷达技术研究室，中国科学技术大学。

通讯作者：谢晨波 研究员

中国科学院

谢晨波，博士，研究员，博士生导师，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心激光雷达技术研究室主任。1995年毕业于合肥工业大学精密仪器系，获检测技术及仪器仪表专业工学学士学位，2005年在中国科学院安徽光机所获光学专业理学博士学位。2006至2008年在日本国立环境研究所 (NIES) 从事博士后研究。曾主持和参加国家863国家高技术研究发展计划、973国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、国家公益性行业 (气象) 科研专项子项目、科技部基础性工作专项重点项目、中国科学院重点部署项目、中国科学院战略性先导科技专项等科研项目。成功研制了国内首台“车载式Raman-Mie散射激光雷达系统”及其它型号十余套激光雷达设备，广泛应用于大气环境探测领域。

引言

现有的可以激发多个Fano共振的结构在可调灵活性方面存在一些缺陷。多个Fano共振的灵活调谐对于MIM光波导结构的应用具有重要意义。这可能有利于在传感领域开发由MIM波导器件激发的多个Fano共振。来自中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所和中国科学技术大学的陈剑峰博士及其导师谢晨波研究员在Photonics期刊首次提出了一种由双对称矩形短截线波导 (DSRSW) 和圆形裂环谐振腔 (CSRRC) 组成的MIM波导结构 (图1)，以实现四重Fano谐振。分裂破坏了环形谐振腔的对称性。研究了一些几何参数，如CSRRC的开口宽度，银挡板的宽度和DSRSW中的短截线宽度，对Fano共振的影响。优化结构的几何参数后，获得了更好的灵敏度和FOM。同时，直波导中增加的矩形短截线和环形腔中的分裂开口为制造新型等离子体微纳折射率传感器提供了更多的可行性。

图1. 由DSRSW和CSRRC组成的MIM波导结构示意图。

研究过程与结果

结构中的窄带离散态是由CSRRC激发的，所以Fano共振的共振波长主要由CSRRC的几何参数决定。此外，DSRSW激发了宽带连续态，因此Fano共振的透射率和斜率主要由DSRSW的参数调节，尤其是耦合距离和银挡板的宽度，并研究了结构的Fano共振的传感特性。

由以上分析可知，该结构的透光率由g和H调节，共振波长由L调节。优化这些参数后，发现该结构具有最佳的透光率和当L = 20 nm时灵敏度最高，显示了共振波长与结构折射率之间的关系 (图2)。然后用最小二乘法近似拟合建立线性回归关系，计算四个Fano峰的线性相关系数。可以看出，FR1、FR2、FR3、FR4在线性方面都有很好的表现，它们的线性相关系数分别为0.9996、0.9999、0.9997和0.9994。需要注意的是，拟合直线的斜率代表了灵敏度。该结构在不同共振波长下的灵敏度水平分别为682.3、740.2、842.3和1328.8 nm/RIU。需要说明的是，与FR1、FR2、FR3相比，FR4的灵敏度最高。FR1和FR2、FR3谐振腔的有效长度相同，但FR1谐振模式的阶数更大。因此，FR1的灵敏度低于FR2和FR3。FR2和FR3的谐振模式阶次相同，但FR2的谐振腔有效长度更小，这意味着FR2的灵敏度也低于FR3。FR4的谐振腔有效长度最大，谐振模式最低，因此FR4的灵敏度最大。由于尖锐的Fano共振和1217nm波长的超低透射率，设计结构的最大FOM可达到4.80×104 (图3)。

图2. 共振波长与折射率之间的关系。

图3. 设计结构的FOM。

研究总结

本研究设计了具有CSRRC和DSRSW的多几何参数MIM波导。仿真结果表明，在结构中激发了四重法诺共振。Fano共振由CSRRC激发的窄带离散态与DSRSW激发的宽带连续态之间的干涉形成。Fano共振的传输特性可以通过结构的几何参数独立调整。几何参数的变化会引起Fano共振的传输线出现一定的红移或蓝移。其中，共振波长由CSRRC的开口宽度调节，透射率和轮廓主要由DSRSW中银挡板的宽度以及CSRRC与DSRSW之间的耦合距离调节。同时，当CSRRC中的空气被葡萄糖溶液或乙醇等液体代替时，这种结构可用于葡萄糖浓度或乙醇温度传感。综上所述，相信这种MIM波导结构在纳米折射率传感器和纳米全光开关领域具有潜在的应用价值。

Photonics 期刊介绍

主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

主要刊载光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章。