摘 要

表面等离子体激元是一种电磁模式，它由金属表面的自由电子和入射光相互作用而激发，沿着金属-介质的分界面传播，在垂直界面的方向上呈现指数衰减。它既具有电子尺度，又具有光子学的速度，可以克服阻碍光器件集成化的衍射极限现象，实现在亚波长结构对光的约束和操控。表面等离子体共振则是在满足动量匹配的入射光照射下，金属-介质界面处发生的自由电子相干震荡的一种物理现象。而这种表面等离子体的共振，对于附着在金属表面的介质的折射率十分敏感，因此可用来设计传感器。实际上，表面等离子体共振传感器凭借其实时动态检测、高灵敏度等优势，已广泛应用于生物、化学、环境监测等领域，而科学家也一直致力于研究它的改进与优化。

本次研究的主要内容有：

1. 设计了一种含有方形孔狭缝波导结构的表面等离子体共振传感器，并使用时域有限差分的数值仿真方法研究了在一个宽带平面波光源的照射下该结构的传输特性以及传感性能；
2. 通过讨论不同的几何结构参数对该波导结构的传感性能指标进行了研究分析，通过比较提出了较为优化的几何结构参数，可以得到较好的的传感性能。

我们发现此波导结构有着较稳定的传感性能和较高品质因数，线性度良好，且采用波长扫描，无需改变入射光的角度，便于小型化和集成化，有一定的研究价值，也为新型表面等离子体共振传感器的设计与开发提供了一种思路。

关键词：表面等离子体 SPR传感器 方形孔 狭缝波导 时域有限差分法

Abstract

Surface plasmon is an electromagnetic model, which consists of free electrons and the interaction of the incident light and the excitation of the metal surface, the metal along -propagation medium interface, an exponential decay in the direction perpendicular to the interface. It has an electronic scale, but also has the speed photonics, optical devices can overcome the obstacle of integrated diffraction limit phenomenon to achieve subwavelength structure in light of the constraints and controls. Surface plasmon resonance is satisfied under incident light momentum matching metal - free electrons occurs at the interface of media coherent oscillations of a physical phenomenon. And this surface plasmon resonance, for adhering to the metal surface of the refractive index of the medium is very sensitive, and therefore can be used to design sensors. In fact, the surface plasmon resonance sensor with real-time motion detection, high sensitivity and other advantages, has been widely used in biological, chemical, environmental monitoring and other fields, and scientists have been working on its improvement and optimization.

The main contents of this study are:

1.We designed a square hole slot waveguide containing a surface plasmon resonance sensor configuration and studied the transmission characteristics and performance of the sensor structure in a plane wave irradiation a broadband light source using FDTD numerical simulation method.

2.By discussing different structural parameters of the sensor geometry performance index waveguide structure were studied and analyzed by comparing the proposed geometry optimization of parameters is more, you can get a better sensor performance.

We found this waveguide structure has a more stable sensing performance and high quality factor, good linearity, and the use of wavelength scanning, without changing the angle of incident light, easy miniaturization and integration, there is some research value, but also for the new design and development of surface plasmon resonance sensors offer a new idea.

Keywords: surface plasmon SPR sensor square hole Slot waveguide FDTD method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及现状 1

1.2 研究内容及要求 2

第2章 设计原理与理论基础 3

2.1 表面等离子体激元 3

2.1.1 表面等离子体激元基本概念 3

2.1.2 表面等离子体激元基本特性 3

2.1.3 表面等离子体激元激发方式 7

2.1.4 局域表面等离子体激元 9

2.1.5 表面等离子体共振传感原理 9

2.2 金属-介质-金属（MIM）结构 10

2.3 金属介电常数的杜鲁德（Drude）模型 11

2.4 数值仿真方法 12

第3章 方形孔狭缝波导SPR传感器设计 13

3.1 理论模型 13

3.1.1 波导结构 13

3.1.2 光源及监视器 14

3.2 传感原理及性能指标 14

3.2.1 传感原理 14

3.2.2 传感器的性能指标 15

3.3 传感性能 16

3.3.1 固定几何参数下传感性能 16

3.3.2 小孔距狭缝距离d变化的影响 16

3.3.3 小孔宽度w的影响 19

3.3.4 小孔高度h的影响 20

3.4 综合结论 22

第4章 总结与展望 23

4.1 论文总结 23

4.2 未来工作展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及现状

随着现代社会不断快速发展提高的信息技术水平，人们越来越需要高速准确的外部信息感知，通信、生物、化学等领域对传感器性能要求也越来越高，逐步实现设备的小型化、集成化、高速、低损耗等优良特性早已成为人们所追求的目标。

电子器件可分为电器件和光器件，电器件中以电子运动传输信息而光器件则是通过光子传输信息，电子学尺度远小于光子学，但光子运动速度要远远大于电子，在集成和高速之间存在着矛盾。众所周知，光存在着衍射现象，即当传统的介质波导尺寸与传输的光波长尺寸相当时，光会发生衍射，产生很大的传输损耗。要实现各种光电子器件在纳米尺度的集成，必须突破衍射极限，而表面等离子体激元（surface plasmon polaritions，SPPs）为这一问题提供了有效的解决思路。利用表面等离子体激元（SPPs）被公认为是克服衍射极限实现高度集成光学电路的最有希望的手段^[1]。