波导与谐振腔

MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究摘要表面等离极化激元（Surface plasmon polaritons,SPPs）为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波，其具有突破光衍射极限的能力，使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。

随着研究的不断深入，基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。

基于金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。

最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应，如Fano共振、电磁诱导透明。

Fano 共振效应是一种弱耦合作用，其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。

因此，利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。

本论文基于耦合模理论（Coupled Mode Theory,CMT）和有限元方法（Finite element method,FEM），研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象，并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器，主要工作简述如下：1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构，利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性，结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。

研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057nm/RIU，FOM值为1016。

基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。

此外，设计了两种衍生结构，在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰，进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。

2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构，采用有限元方法研究了该结构的传播特性，结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。

微波谐振器的简单原理及应用1. 简介微波谐振器是一种用来产生、操控和测量微波信号的重要设备，广泛应用于通信、雷达、卫星通信等领域。

本文将介绍微波谐振器的简单原理及其主要应用。

2. 微波谐振器的原理微波谐振器是基于微波波导和谐振腔的结构。

微波波导是一种导波结构，能够有效地传输和控制微波信号。

谐振腔则是一个能够使微波信号在空腔内多次反射并形成驻波的装置。

微波谐振器的原理可以简单描述如下： 1. 微波信号通过微波波导传输到谐振腔；2. 在谐振腔内，微波信号被多次反射并形成驻波；3. 当微波信号的频率与谐振腔的固有频率相匹配时，谐振腔将发生共振现象； 4. 共振现象会导致谐振腔内的微波信号强度增加，形成谐振峰。

3. 微波谐振器的主要类型微波谐振器可以分为很多不同的类型，其中常见的包括：1.空腔谐振器：空腔谐振器是最基本的谐振器类型，由一个或多个空腔构成。

常见的空腔谐振器包括螺旋线谐振器、圆柱谐振器等。

2.波导谐振器：波导谐振器是一种利用波导结构形成谐振腔的谐振器。

常见的波导谐振器包括矩形波导谐振器、圆柱波导谐振器等。

3.微带谐振器：微带谐振器是一种利用微带线结构形成谐振腔的谐振器。

常见的微带谐振器包括微带贴片谐振器、微带环形谐振器等。

4.介质谐振器：介质谐振器是一种利用介质材料的介电特性来形成谐振腔的谐振器。

常见的介质谐振器包括介质柱谐振器、介质球谐振器等。

4. 微波谐振器的应用微波谐振器在通信、雷达、卫星通信等领域有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.频率选择：微波谐振器可以通过调整谐振腔的固有频率来选择特定频率的微波信号。

这使得微波谐振器成为实现频率选择的重要工具。

2.信号增强：当微波信号与谐振腔的固有频率匹配时会发生共振现象，使得谐振腔内的微波信号强度增强。

这可以用于增强微波信号的强度。

3.滤波器：微波谐振器可以通过调整固有频率和带宽来实现不同类型的滤波器。

常见的滤波器类型包括带通滤波器、带阻滤波器等。

谐振腔波导耦合一、引言谐振腔波导耦合是一种重要的光学元件，它可以将光从腔中耦合到波导中，或者将波导中的光耦合到腔中。

这种元件在光通信、传感和量子光学等领域有着广泛的应用。

本文将对谐振腔波导耦合进行详细介绍。

二、谐振腔1. 谐振腔的定义和特点谐振腔是一种能够在其中储存电磁场能量的空间。

它通常由两个反射镜构成，其中至少一个反射镜是半透明的，以便让一部分光线逃逸出来。

当外界光源向谐振腔中注入光子时，这些光子会在反射镜之间来回反弹，并且会与物质相互作用，从而被吸收或发射出去。

当谐振腔内部的电磁场达到稳态时，就可以形成驻波模式。

2. 谐振腔模式谐振腔模式是指在特定频率下，在谐振腔内部形成驻波模式的电磁场分布。

谐振腔的模式可以用一个整数对 $(m,n)$ 来描述，其中$m$ 和 $n$ 分别表示沿着两个反射镜的方向上的驻波节点数。

例如，在一个圆柱形谐振腔中，$(m,n)$ 模式的频率可以用公式$f_{mn}=\frac{c}{2\pi R}\sqrt{m^2+n^2}$ 来计算，其中 $R$ 是圆柱半径，$c$ 是光速。

三、波导1. 波导的定义和特点波导是一种能够将光线引导到特定方向传输的结构。

它通常由高折射率材料包围低折射率材料构成，光线在这两种材料之间反复反射，并且沿着波导传输。

波导可以是直线型、弯曲型或者分支型等不同形状。

2. 波导模式波导模式是指在特定频率下，在波导内部形成驻波模式的电磁场分布。

与谐振腔类似，波导模式也可以用一个整数来描述，这个整数称为纵向节点数。

例如，在一个矩形截面的平面波导中，第 $n$ 模式的纵向节点数为 $n$。

四、谐振腔波导耦合1. 谐振腔波导耦合的定义和特点谐振腔波导耦合是指将谐振腔中的光子与波导中的光子进行相互作用，使得它们能够在两者之间互相转换。

这种相互作用可以通过将波导端面对准谐振腔反射镜的半透明面来实现。

当波导中的光线与反射镜之间的空气界面相接触时，一部分光线会被反射回去，一部分光线会被透过去并进入谐振腔中。

MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振及折射率传感MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振及折射率传感摘要：本文介绍了一种基于金属-绝缘体-金属（MIM）波导耦合谐振腔的多重Fano共振及其在折射率传感中的应用。

MIM波导耦合谐振腔具有高品质因子和紧凑结构的优点，使其在传感器领域具有广泛的应用前景。

通过调节波导耦合区的尺寸和位置，可以实现多重Fano共振现象，提高传感器的灵敏度和分辨率。

本文通过数值模拟和实验验证了MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振及其在折射率传感中的应用效果。

1. 引言随着纳米技术的发展，微纳光学器件在光通信、生物医学和环境监测等领域中得到了广泛应用。

其中，基于谐振腔结构的传感器因其高灵敏度和快速响应等特点备受关注。

MIM波导耦合谐振腔具有高品质因子（Q值）和小尺寸的优点，适用于微型传感器的制备。

本文旨在利用MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振现象来提高传感器的性能。

2. MIM波导耦合谐振腔结构MIM波导耦合谐振腔由两个对称排列的金属纳米带波导和一个绝缘层构成。

通过调节波导耦合区的尺寸和位置，可以实现多重Fano共振现象。

当光波进入MIM波导，会在波导耦合区引起Fano共振现象，从而使传感器对环境折射率的变化敏感。

3. MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振理论模型本文基于密度波理论和矩阵传输方法建立了MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振理论模型。

通过数值模拟，我们研究了波导耦合区尺寸和位置对传感器性能的影响，并优化了传感器的设计参数。

4. 折射率传感实验与结果分析在实验中，我们通过激光器将光波注入MIM波导耦合谐振腔，然后测量输出光强的变化来检测环境折射率的变化。

实验结果表明，MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振能够显著增强传感器的灵敏度和分辨率。

5. 结论与展望本文提出了一种基于MIM波导耦合谐振腔的多重Fano共振传感器，并通过数值模拟和实验验证了其在折射率传感中的应用效果。

波导与谐振腔电磁波的频率f与波长 在自由空间fλ=c，式中，c=3*108m/s，为自由空间光速。

理论上电磁波的频率可以从零至无穷大，但实际上，现金可供我们使用的电磁波的适用范围是有限的。

先可供应用的电磁波的频率（或波长）从小到大排列，就形成了电磁波的频谱图。

其中，又将超高频、特高频和极高频（波长在1m～1nm的分米波、厘米波和毫米波），以及扩大至亚毫米波（波长在1～0.1nm）划分为微波波段。

微波由于其波长极短、振荡周期极短、似光性及相对频带宽等特点而有别于其他的无线电波，并在理论和应用上形成了专门的工程技术——微波技术。

微波技术和光纤通讯都涉及电磁波在有界空间的传播。

电磁能量沿确定路线传输有多种形式：一是直流和低频情形的平行双线传输，这是大家常见的生活和生产用电采用的方式。

但是高频条件下这种方式辐射损耗严重（因为辐射功率正比于频率的四次方）。

二是分米波段使用的同轴传输线传输。

同轴传输线是是由圆形的金属网套和绝缘介质包裹着位于轴心的导线构成。

金属网套起屏蔽作用，即防止了辐射损失，有防止了外界信号对传输信号的干扰。

三是厘米波段使用的波导管。

由于趋肤效应随频率增高而更加明显，在高频率下实际电流只在电流表面内，所以电流有效截面积变小，焦耳热损耗加大，于是人们采用波导管传输电磁能量。

波导管是中空的金属导管，通常截面是矩形的或是圆形的，在此做简要介绍，后文会详细说明。

四是光波的传输。

若仍然使用金属波导管会造成很大的损耗，就利用光从光密介质到光疏介质全反射现象，用介质做成波导管传输光波。

微波的发射或激光的发射度需要谐振腔，谐振腔是电磁波在金属腔或介质中震荡驻留的装置。

下面会做更详细的介绍。

实际应用中的电磁波多为非均匀的辐射波或导行波。

各种天线发射的在空间传播的是辐射波。

下面主要介绍的波导和谐振腔一、导行波为沿着某种装置按指定方向基本无辐射的传播的电磁波。

引导行波传播的装置称为波导。

微波传输线主要有以下几种：1.双导体传输线如图一所示，图中(a)为平行双导线，(b)为同轴线，(c)为带状线，(d)为微带线。

介质谐振器的工作原理我们目前所接触到的最基本的介质器件是介质谐振器。

要想了解介质谐振器的工作原理首先要了解金属波导与谐振腔。

一、 金属波导的一般特性传输电磁能量或电磁信号的途径可分为两类，一类是电磁波在空间或大气中的传播，另一类是电磁波沿波导系统的传播。

人类最初应用的电磁波导波系统是双线传输线，双线传输线主要用在频率较低的场合，当使用频率逐步提高时，双线传输线的传输损耗以及辐射损耗急剧的增加，为了克服辐射损耗，采用了同轴线结构。

但是同轴线中所采用的模式仍然是TEM模，必须有内外两根导体，到了频率更高时内导体的损耗变得很严重。

在微波频段即分米波段和厘米波段人们发现，用一根中空的金属管来传输电磁波是可行的和方便的。

在空管中不可能传播TEM模式，因此采用TE模或TM模，这就是金属波导或称为波导管。

到了短毫米波段及亚微毫米波段金属波导的截面积尺寸太小，加工不易，因此采用介质波导作为传输系统。

在光波段使用光学纤维和光波导也是介质波导。

光学纤维简称光纤现在已成为传输电磁信号的主要手段。

为了近似地实现短路面的边界条件可以用具有高导电率的导体即金属构成的边界面，这样就形成金属波导或称波导管。

金属波导可以由一根波导管构成，也可以由多根波导管构成。

略去导体表面损耗时，可将边界看作短路面。

波导波的特点是存在一个截止频率，当工作频率高于截止频率时，纵方向为快行波，横方向为驻波，工作频率低于截止频率时，纵方向成为衰减场或渐消场，横方向仍然为驻波。

金属波导的传播特性为ωc=T/(με)1/2 =cT/(με) 1/2或Fc= cT/2∏(με) 1/2临界状态下，电磁波在介质中的波长就是横向波长，即λT=2∏/T=1/fc(με)1/2相应的临界状态下真空中的波长称为临界波长。

当电磁波的角频率大于波长的临界角频率时，电磁波可在波导中传播，反之，波导是截止的。

临界角波数决定于波导的截面形状和尺寸。

二、 金属波导的波阻抗金属壁是由良导体构成而非理想导体，因此电磁波在波导中传播时一定会有功率损耗，从而造成电磁波沿传播方向上的衰减。

光子晶体波导谐振腔的设计和应用光子晶体波导谐振腔是现代光学领域中的一个热门话题。

它利用光子晶体结构的周期性，形成具有独特光学性质的器件。

在纳米电子学、光电子学和量子信息处理等领域，光子晶体波导谐振腔的应用前景非常广阔。

本文将介绍光子晶体波导谐振腔的设计方法和常见的应用领域。

一、光子晶体波导谐振腔的设计方法一般来说，光子晶体波导谐振腔的设计是基于光子晶体的周期性。

在光子晶体中，周期性阵列的折射率异常会形成光子带隙，这种禁带结构可以被用来控制光的传播和捕获特定波长的光子，从而实现谐振腔的效果。

设计光子晶体波导谐振腔首先需要确定光子晶体的材料和结构，一般采用等间距布局的周期性结构。

随后，需要计算光子带隙的位置和宽度，从而确定合适的谐振腔模式。

最后，在确定谐振腔模式后，可以将晶体结构做微调，以提高谐振腔的 Q 值和光谱纯度。

在设计光子晶体波导谐振腔的过程中，有效性和可优化性都是需要考虑的因素。

有效性可以保证谐振腔在制备后可以正常工作，可优化性则可以帮助我们在实验条件下提高谐振腔的性能。

二、光子晶体波导谐振腔的应用目前，光子晶体波导谐振腔已经在多个领域得到应用。

1. 显示技术在显示技术中，光子晶体波导谐振腔可以实现快速的光开关，为光学计算和量子信息处理提供了必要的基础。

光开关可以通过利用谐振腔来控制光子的传播与捕获。

2. 生物医学诊断在生物医学诊断中，光子晶体波导谐振腔可以被用来测量生物分子的互作和生化反应，从而提高医学诊断的准确性。

利用谐振腔纳秒级别的响应时间可以实现高精度的分子检测和分析。

3. 纳米电子学与光电子学在纳米电子学和光电子学领域，光子晶体波导谐振腔可以被用来制备高度集成的耦合器和光发射器，具有较高的速度和稳定性。

此外，在微腔共振中，还可以利用谐振腔增强电子的相互作用，并建立光子和自旋之间的耦合。

总之，光子晶体波导谐振腔作为一种新型的纳米光子学结构，具有广阔的应用前景。

不仅可以应用于显示技术和生物医学诊断，还可以为纳米电子学和光电子学等领域的研究提供新的思路。