半円共振空洞と鍵型共振空洞を結合したMIM導波路構造

MIM waveguide structure consisting of a semicircular resonant cavity coupled with a key-shaped resonant cavity.

• Jun Zhu
• Na Li

抄録

金属-絶縁体-金属(MIM)導波路と鍵型共振空洞を結合した半円共振空洞からなる表面プラズモンポラリトン導波路構造の光伝送特性について述べる。有限要素法を用いてMIM導波路構造の光応答をシミュレーションした。結合長,鍵型共振空洞の幾何学的大きさ,非対称性,半円形共振空洞の半径がファノ共鳴線に与える影響を調べた。その結果、鍵型空洞の非対称性を変化させると、二重のファノ共鳴が現れることがわかった。屈折率の異なる材料を鍵型空洞に充填した場合、MIM導波路構造は1261.67nm/RIUの感度を達成した。この性能により、グルコース濃度の測定などのナノスケールのバイオセンサー用途に用いることができる。第2のファノ共鳴線が長波長に向かうにつれて周波数シフトを計算することで、様々なスパイク状のグルコース濃度をシミュレートした。グルコース濃度は、ファノ共鳴波長の変化から計算した。本論文で提案した導波路構造は、化学センシングやバイオメディカル分野への応用が期待される。

We describe the optical transmission properties of a surface plasmon polariton waveguide structure consisting of a metal-insulator-metal (MIM) waveguide and a semicircular resonant cavity coupled with a key-shaped resonant cavity. Finite element algorithm simulated the optical response of a MIM waveguide structure. The influence of coupling length, geometrical size, and asymmetry of the key-shaped cavity and the radius of the semicircular resonant cavity on the Fano resonance line was investigated. Results demonstrate that variation of the key-shaped cavity asymmetry leads to the appearance of dual Fano resonances. When materials with different refractive index fill in the key-shaped cavity, the MIM waveguide structure achieves a sensitivity of 1261.67 nm/RIU. This performance allows the waveguide to be used for nanoscale biosensor applications such as measuring glucose concentrations. We simulated various spiked glucose concentrations by calculating the frequency shift as the second Fano resonance line moves towards longer wavelength. Glucose concentrations were calculated from variations of the Fano resonant wavelength. The waveguide structure proposed in this paper shows impressive practical prospects for many applications in the chemical sensing and biomedical fields.