[实用新型]一种金纳米颗粒与MIM波导耦合的表面等离子波导结构

说明书

本实用新型公开了一种金纳米颗粒与MIM波导耦合的表面等离子波导结构，其特征在于，包括自下而上顺序叠接的基底层和金属层，所述金属层中设有贯穿金属层的直波导，直波导将金属层分成2部分，直波导的中部设有间隙，在直波导的一侧的金属层的上表面设有呈方形状的金纳米颗粒阵列环，金纳米颗粒阵列环与直波导不相交，金纳米颗粒阵列环的内边外缘处设有与金属层隔开的隔离腔，隔离腔和直波导内填充介质。这种波导结构的传输特性良好，能避免微纳尺度的波导器件对波长依赖限制，并且结构简单、易于实现。

技术领域

本实用新型涉及微纳传感技术领域，具体是一种金纳米颗粒与MIM波导耦合的表面等离子波导结构。

背景技术

贵金属纳米结构因其具有独特的光学特性，即源于电磁场与金属表面的自由电子相互作用，这一物理过程将使得纳米颗粒表面出现增强的近场，成为纳米科学领域中受到较为关注的研究课题之一。不同于传统的光学器件，纳米颗粒的表面等离激元(Surfaceplasmon polaritons,SPPs)具有突破光学衍射极限，能把电磁场能量局域限定在尺寸远小于波长的纳米颗粒表面范围的优点，在设计和改进波长可调的光学设备以及高灵敏度的传感器方面有着广泛的应用。2010年法国里昂大学的Bachelier教授团队研究了金和银球形纳米粒子之间的近场耦合，在入射光为378nm附近观察到了清晰的法诺共振谱线，并通过改变银纳米颗粒的尺寸(2.5、5、10、15、20和30 nm)以及纳米颗粒之间的间距(范围为1到10nm，以1 nm为步长)，并展示出可以通过旋转偏振方向将近场耦合从弱态调谐到强态，解决了纳米颗粒内部特性对法诺共振的影响。

《Optics express》在2019年第27卷16期22753-22763页上刊登了“Plasmonicdirectional couplers using channel waveguides in random arrays of metalnanoparticles”一文，墨西哥国家大学的Garcia-Ortiz团队使用了显微镜观察金属纳米粒子阵列在700至800nm的功率交换、空间周期和总功率传输，采用NP填充的波导模型研究复合等离子体的性能。尽管研究人员使用了不同材料的波导，并将入射光场约束到几十纳米的量级来测量耦合器件的性能，但设计的波导器件损耗依然很大，并且强烈依赖于波长限制。目前纳米颗粒器件应用技术的主要困难在于其比表面能很高，稳定存在很困难，能量利用率也参差不齐，无法能够很好地应用到光子器件中，实现纳米颗粒器件的稳定性是贵金属纳米结构向实用型转变的首要目标。

目前大都采用增益介质以补偿金属纳米颗粒与波导结构的耦合强度，但是在金属纳米颗粒本身的构造上却失去了它的优势。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种金纳米颗粒与MIM波导耦合的表面等离子波导结构。这种波导结构的传输特性良好，能避免微纳尺度的波导器件对波长依赖限制，并且结构简单、易于实现。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种金纳米颗粒与MIM波导耦合的表面等离子波导结构，包括自下而上顺序叠接的基底层和金属层，所述金属层中设有贯穿金属层的直波导，直波导将金属层分成2部分，直波导的中部设有间隙，在直波导的一侧的金属层的上表面设有呈方形状的金纳米颗粒阵列环，金纳米颗粒阵列环与直波导不相交，金纳米颗粒阵列环的内边外缘处设有与金属层隔开的隔离腔，隔离腔和直波导内填充介质。

所述基底层为SiO₂层。

所述金属层为金属银层。

所述介质为空气。

入射光进入介质，其中，入射光的角度大于Ag层与金纳米颗粒阵列环的全反射角，