用于光学滤波的系统及方法与流程

本申请要求2016年7月25日提交的美国临时专利申请no.62/366,171的优先权，其内容通过引用整体并入本文。发明领域及背景技术：：本发明，在一些实施例中，涉及光学器件，更具体地，但非限制性地，涉及用于光学滤波的一系统及一方法。在稀有气体光谱中发现了不对称轮廓[4]并且由法诺[5]通过考虑电子能量依赖于离散自动切换状态及连续体之间的相互作用来解释。费什巴赫在研究核反应时发现了类似的谐振[6]。在这两种情况下，独特的线形是两条通路之间干扰的结果-一条涉及直接散射到连续体，另一条通过亚稳态离散束缚态转变为连续体。当两个传输路径，宽带连续体和窄带谐振相互干扰时，出现这些谐振。当其中一个通道是高阻尼谐振过程时，其精确的共振频率难以检测，并且这种通道可被视为宽带连续谱。当入射电磁波耦合到强阻尼振荡器时，这些谐振在吸收光谱中表现为陷波，而强阻尼振荡器又耦合到弱阻尼模式。在两个模式之间产生的有效耦合取决于弱阻尼振荡器频率周围的窄间隔中的频率，并引起吸收光谱的调制。在法诺-费什巴赫(fano-feshbach)轮廓的特定情况下，两个离散状态耦合到同一连续体[4,10,11]。这种现象被称为双法诺-费什巴赫谐振(双ffr)。在某些此类情况下，生成的线形与电磁感应透明度(eit)现象相关[12]。迄今为止，支持双ffr的纳米光子结构由与局部振荡相关的共振结构构成，特别是基于纳米天线的结构[13,20]，包括基于fabri-perot谐振的超单元光栅结构[21]。技术实现要素：根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种光学器件。所述光学器件包括一第一光栅及一第二光栅，所述第一光栅及所述第二光栅形成在或附接到一介电层上并且配置成用以同时将与其相互作用的一光场耦合成为两个不同的法诺-费什巴赫谐振。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅是形成在所述介电基板的同一侧的介电光栅。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅形成在附接到所述介电基板的一金属层的同一侧。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅形成在一金属层的多个相对侧，并且其中所述介电层设置在所述第一光栅上。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅之间，垂直于所述金属层的一垂直间隔为5nm至20nm，例如约10nm。根据本发明的一些实施例，所述金属层包括一材料，所述材料选自金、银、铂、铝、铜、铑、铱、钨及钼所组成的组。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅至少在一个光栅特征上不同，所述至少一个光栅特征选自一光栅周期、一光栅功能、一光栅深度及一光栅占空比所组成的组。根据本发明的一些实施例，所述第一光栅及所述第二光栅中的每一个具有一凹槽，所述凹槽的深度为10nm至100nm，更优选为30nm至60nm。根据本发明的一些实施例，所述器件还包括一附加介电层设置在所述第二光栅上，其中所述第一介电层及第二介电层由不同材料所制成。根据本发明的一些实施例，至少一个所述光栅是一啁啾准周期光栅。根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种光学器件。所述光学器件包括一准周期光栅，所述准周期光栅形成在或附接到一介电层上并且配置成用以同时将与其相互作用的一光场耦合成为两个不同的法诺-费什巴赫谐振。根据本发明的一些实施例，所述光栅是形成在所述介电层上的一介电光栅。根据本发明的一些实施例，所述光栅是形成在一金属层上的一金属光栅，并且其中所述介电层设置在所述光栅上。根据本发明的一些实施例，所述金属层包括一材料，所述材料选自金、银、铂、铝、铜、铑、铱、钨及钼所组成的组。根据本发明的一些实施例，所述光栅是一啁啾准周期光栅。根据本发明的一些实施例，所述介电层包括一介电材料，所述介电材料选自蓝宝石、石英、硅、碳化硅、氮化镓、磷化镓、二硼化锆、砷化镓、二氧化硅及玻璃所组成的组。根据本发明的一些实施例，所述介电层的一厚度为10μm至1mm。根据本发明的一些实施例，所述光学器件被设计用于一预定波长，并且其中所述介电层的一厚度是所述波长的至少两倍。根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种过滤一光场的方法。所述方法包括引导所述光场到所述光学器件，所述光学器件如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种光学传感器。所述光学传感器包括一光学传感元件及所述光学器件，所述光学器件如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种光学传感器阵列。所述光学传感器阵列包括光学传感元件的一阵列，每一个包函所述光学传感器，其中所述多个光学传感器布置成使得至少两个传感元件接收来自不同光栅图案的光。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种光学传感器阵列。所述光学传感器阵列包括光学传感元件的一阵列及所述光学器件，所述光学器件如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。所述光学器件设置在所述阵列上，其中所述光学器件的一光栅图案在所述阵列上变化，使得至少两个传感元件接收来自不同光栅图案的光。根据本发明的一些实施例，所述光学传感器是一ccd传感器。根据本发明的一些实施例，所述光学传感器是一cmos传感器。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种成像系统。所述成像系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种光谱仪，所述光谱仪包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种通信系统，所述通信系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种慢光光学系统，所述慢光光学系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种波长多路复用系统，所述波长多路复用系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种波长多路分用系统，所述波长多路分用系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种光学调谐系统，所述光学调谐系统包括所述光学传感器阵列，所述光学传感器阵列如上所述，并且任选地及优选地如下文进一步详述。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可用于实践或测试本发明的实施方案，但下文描述了示例性方法和/或材料。如有冲突，将以专利说明书为准，包括定义。另外，材料，方法和实施例仅是说明性的，并非旨在限制。本发明的实施例的方法和/或系统的实现可以涉及手动，自动或其组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件，软件或固件或使用操作系统的组合来实现若干所选任务。例如，根据本发明实施例的用于执行所选任务的硬件可以实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的所选任务可以实现为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行，诸如用于执行多个指令的计算平台。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可选地，还提供网络连接。还可选地提供显示器和/或用户输入设备，例如键盘或鼠标。附图说明仅通过举例的方式，本文中参考附图描述了本发明的一些实施例。现在具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。在附图中：图1a至图1c是根据本发明一些实施例的一光学器件的示意图。图2是根据本发明的一些实施例的光学传感器的一阵列的示意图。图3a及图3b示出了根据本发明的一些实施例的适合于产生一双重诺-费什巴赫谐振(双ffr)的方案。一不对称imi结构，其金属层如图3a所示，其特征在于所述结构的两个金属-介电材料界面的两个色散曲线(图3b中的连续线及虚线)。对于几乎能量简并的双ffr线形状，两个光栅被蚀刻到界面中，允许两个几乎简并的辐射模式(其色散线用点划线表示)耦合到两个界面处的相应等离子体模式。在这个示例中，所述光栅具有与用一连续双箭头线及一虚线双箭头线表示的动量失配成反比的周期性。在插图中，红色代表所述顶部介电材料，浅蓝色代表中间的所述金属层，深蓝色代表所述底部介电材料。图4a至图4f示出了用于无损情况的单个ffr和双ffr谐振。传输轮廓(实线)和最佳拟合ffr线形(虚线)的数值模拟：用于具有底部波纹的器件的单个ffr其具有周期为λ2＝500[nm](图4a及图4b)、用于具有顶部波纹的器件的单个ffr其具有周期为λ1＝630[nm](图4c及图4d)，及用于双光栅器件的双ffr其顶侧的周期为λ1＝630[nm]及底侧的λ2＝500[nm](图4e及图4f)。虚线表示下面的eq(3)，其中参数适合两个单独的单个ffr设备。图4a、图4c及图4e示出了所述光栅结构，图4b、图4d及图4f示出了各自的谐振光谱。图5a至图5f示出了对于一有损耗的情况的单一ffr及双ffr谐振。传输轮廓(实线)和最佳拟合ffr线形(虚线)的数值模拟：用于具有底部波纹的器件的单个ffr其具有周期为λ2＝500[nm](图5a及图5b)、用于具有顶部波纹的器件的单个ffr其具有周期为λ1＝630[nm](图5c及图5d)，及用于双光栅器件的双ffr其顶侧的周期为λ1＝630[nm]及底侧的λ2＝500[nm](图5e及图5f)。虚线表示下面的eq(3)，其中参数适合两个单独的单个ffr设备。图5a、图5c及图5e示出了所述光栅结构，图5b、图5d及图5f示出了各自的谐振光谱。图6a至图6f示出了谐振的相对偏移。当顶部表面等离子体极化子(spp)谐振的位置通过将顶部波纹周期变为510nm(图6a)、530nm(图6b)、560nm(图6c)、580nm(图6d)、600nm(图6e)及620nm(图6f)扫描到底部spp谐振的位置的双ffr线形(包括损耗)的数值模拟(实线)。垂直虚线标记下面的等式(1)的波长，对于仅包含顶部或底部波纹的结构，其满足不同的光栅周期。图7a至图7e示出了入射角对于不同入射角的双ffr线形状的影响。图7a示出了在顶侧具有周期λ1＝630[nm]并且在底侧具有λ2＝500[nm]的光栅结构，图7b示出θinc＝15o的入射角的光谱，图7c示出θinc＝14o的入射角的光谱，图7d示出θinc＝16o的入射角的光谱，及图7e示出θinc＝17o的入射角的光谱。垂直虚线标记下面的等式(1)的波长，对于仅包含顶部或底部波纹的结构，其满足不同的光栅周期。图8a至图8c示出了使用在蓝宝石顶部上由金制成的两个相邻光栅的双ffr谐振，其支持耦合到两个空间分离的近似波长简并spp模式。图8a示出了光栅结构，图8b及图8c分别示出了模拟反射(s11)及透射(s21)光谱。所述结构的尺寸为l1＝430nm、l2＝435nm、h1＝100nm、h2＝20nm、w1＝65nm、w2＝20nm。图9a至图9c示出了使用由蓝宝石制成的两个相邻的全介电光栅的双ffr谐振，其支持入射辐射耦合到每个光栅的凹槽中的两个导模。图9a示出了光栅结构，图9b及图9c分别示出了模拟反射(s11)及透射(s21)光谱。所述结构的尺寸为l1＝255nm、l2＝250nm、h1＝260nm、h2＝52nm、w1＝242nm、w2＝237nm。图10a至图10c示出了使用由蓝宝石上的金制成的一准周期光栅的双ffr谐振，支持在金-空气及金-金属界面处将入射辐射耦合到两个spp模式。图10a示出了光栅结构，图10b及图10c分别示出了模拟反射(s11)及透射(s21)光谱。所述结构的尺寸为l1＝200nm、l2＝360nm、h＝150nm、w1＝180nm、w2＝342nm。具体实施方式本发明，在一些实施例中，涉及光学器件，更具体地，但非限制性地，涉及用于光学滤波的一系统及一方法。在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明不一定限于其应用于以下描述中阐述的构造细节和组件和/或方法的布置和/或在附图和/或实施例中说明。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实践或实施。本发明人通过利用耦合到同一连续体的两个离散光学状态成功地产生了各种线形。离散光学状态可以通过不同的周期性衍射光栅或单个准周期衍射光栅耦合。在本发明的各种示例性实施例中，采用基于光栅的等离子体结构来实现几乎简并的双法诺谐振，从而提供足够窄的谱线形状。双谐振光谱位置和线形状可选地且优选地通过调节光栅的周期性和单位晶胞和/或通过调节入射辐射的入射角来控制。现在参考附图，图1a至图1c是根据本发明一些实施例的一光学器件10的示意图。器件10包括一个或多个光栅，它们统称为光栅12，并且单独地称为光栅12a、光栅12b等。优选地，光栅12被选择用以同时将与其相互作用的一光场耦合成为两个不同的法诺-费什巴赫谐振。因此，器件10在所述光场上引起一双法诺-费什巴赫谐振。这是可选地并且优选地通过提供在所述光场的不同波长处谐振的光栅或多个光栅来实现。例如，所述光栅可以被配置为将一进入的光场耦合到不同时刻的表面等离子体极化子(spp)。两个spp优选地具有几乎相同的能量。具体地，通过ω1及ω2，表示两个等离子体模式的频率，所述比例优选小于0.3且大于0.001，或小于0.1且大于0.001，或小于0.05且大于0.001，或小于0.01且大于0.001，或小于0.005且大于0.001或小于0.001且大于0.0001。所述光场可以通过穿过器件10(透射相互作用)或反射器件10(反射相互作用)与所述光栅12相互作用。所述光栅的所述沟槽深度可为约10nm至约300nm，或约20nm至约250nm，或约20nm至约200nm，或约20nm至约120nm。也可以考虑其他沟槽深度。当存在多于一个光栅时，所述光栅至少在一个参数上不同，所述参数选自一光栅周期、一光栅沟槽深度及一光栅占空比所组成的组。当存在一个光栅时，所述光栅形成一光栅图案，例如，一准周期光栅图案，其中这些参数中的一个或多个沿着这个图案变化。本实施例考虑了光栅12的若干配置。在本发明的一些实施例中，光栅12包括一第一光栅12a及一第二光栅12b。这些实施例在图1a及图1b中示出。所述光栅的所述周期可选地并且优选地被选择为使得它们各自的表面等离子体极化子谐振(即，所述两个光栅中的每一个都是所谓的唯一光栅)小于200nm或小于150nm或小于100nm或小于90nm或小于80nm或小于70nm或小于60nm或小于50nm或小于40nm或小于30nm。图1a示出了一个实施例，其中光栅12a及12b形成在一金属层14的相对侧上。在这些实施例中，一介电层16可选地且优选地设置在第一光栅12a上。还考虑了其中在第二光栅12b上也设置有一附加的介电层18的实施例。在这些实施例中，光栅12a及12b至少在它们的沟槽深度方面不同，并且可选地并且优选地在至少一个附加参数方面不同，例如但不限于所述光栅周期。例如，光栅12a的所述沟槽深度可以比光栅12b的所述沟槽深度深至少2倍或深至少3倍或深至少4倍。用于光栅12a的典型沟槽深度是，但不限于，约80nm至约120nm，并且光栅12b的沟槽深度是，但不限于，约15nm至约40nm。在光栅12a与12b之间的所述垂直间隔，如测量垂直于金属层14，可以是约5nm至约20nm，例如约10nm。所述金属层可以包括任何材料，优选地一材料选自金、银、铂、铝、铜、铑、铱、钨及钼所组成的组。图1b示出了一个实施例，其中光栅12a及12b形成在一介电层20的同一侧。在介电层20的同一侧具有所述光栅的优点是整体效率得到改善。在这些实施例中，所述光栅12a及12b可以是介电光栅，或者它们可以是形成在与介电基板20连接的一金属层14(图1b中未示出，参见图1a)的同一侧上的金属光栅。当光栅12a及12b是介电光栅时，它们的沟槽深度可以是相同的，但它们在除了所述沟槽深度之外的一光栅参数方面不同。然而，这不一定是这种情况，因为对于一些应用，所述介电光栅可能不必具有相同的沟槽深度。当光栅12a及12b是形成在一金属层的同一侧上的金属光栅时，它们的沟槽深度优选地不同，如上文关于图1a进一步详细描述的。可选地，光栅12a及12b中的一个或两个涂有一介电层，如上文进一步详细描述的。在本发明的一些实施例中，光栅12a及12b中的任何一个都可以是一啁啾准周期光栅。如本文所用，“准周期光栅”是指一衍射光栅，其具有有序排列的构件块，其缺乏任何类型的平移对称性，但在所述形式的基本上离散的光谱中呈现衍射图案。如本文所用，“啁啾准周期光栅”是指具有一几何参数的准周期光栅，所述几何参数沿垂直于所述光栅沟槽的一方向单调地(例如，线性地)变化。当采用一准周期光栅时，器件10不必包括多于一个光栅。图1c是一实施例的一示意图，其中器件10包括作为一准周期光栅的一单一光栅12。所述准周期光栅可以形成在一金属层14(未示出)上，如上文进一步详细描述(见图1a)，或者它可以是形成在一介电层20的同一侧的一介电光栅，如上文进一步详细描述。当准周期光栅12是金属时，它可选地可以涂有一介电层，如上文进一步详细描述。在本文的任何实施例中，所述介电基板20的厚度可为约10μm至约1mm。本发明人发现，光学器件10在光场上引起双法诺-费什巴赫谐振的能力使其适合于过滤所述光场，从而可以根据所期望的滤波函数来选择所述双法诺-费什巴赫谐振。例如，当希望滤除一预定范围之外的波长时，选择器件10的所述光栅12以引起具有在这个波长范围内的一峰值及包含这个波长的宽度的双法诺-费什巴赫谐振。图2是根据本发明的一些实施例的光学传感器的一阵列30的示意图。阵列30可选地且优选地包括有源像素单元32的阵列的一布置。优选地，所述阵列30是一个二维阵列。在图2的代表性图示中，多个有源像素单元32形成一矩形阵列，但也可考虑其他几何形状。阵列30可以配置用于感测背照明和/或前照明。在本发明的一些实施例中，每一个有源像素单元32包括一光学传感元件36、光学器件10，并且可选地且优选地还包括与光学传感元件36电子通信的一信号处理电路38。光学器件10的所述光栅图案可选地且优选地在阵列30上变化，使得至少两个光学传感元件接收来自不同光栅图案的光。这允许阵列30作为一多色光学传感器。在操作中，光首先与器件10相互作用并且由此过滤。所述过滤光到达传感元件36，传感元件36响应于与所述光的相互作用而产生一电子信号。信号处理电路38从检测器36接收所述电子信号并且执行初始处理操作，例如但不限于，放大，提供复位信号及读出，如本领域中所公知。为了清楚地呈现，每一个有源像素单元被示出为包括一单独的光学器件10。然而，不一定是这种情况，因为两个或更多(例如，所有)所述有源像素单元可以叠加通过器件10，在这种情况下，器件10的所述光栅被选择以在器件10上的不同区域处具有不同的光谱响应。还考虑了这样的配置，其中若干光学器件10平铺在相同的有源像素单元上以定义多个子像素区域，每一个区域对应于一个不同的光学器件10，其中所述多个光学器件10的至少两个具有不同的光谱响应。例如，所述多个光学器件可以平铺以在所述有源像素单元上形成一拜耳滤波器。传感元件36可以是任何类型，包括但不限于ccd传感元件或cmos传感元件，并且电路38根据所布置的传感元件的类型来配置。阵列30可用于许多应用中。例如，在本发明的一些实施例中，阵列30用作一成像系统中的一组件、在本发明的一些实施例中，阵列30用作一光谱仪中的一组件、在本发明的一些实施例中，阵列30用作一通信系统中的一组件、在本发明的一些实施例中，阵列30用作一慢光光学系统中的一组件、在本发明的一些实施例中，阵列30用作一波长多路复用系统中的一组件、在本发明的一些实施例中，阵列30用作一波长多路分用系统中的一组件，并且本发明的一些实施例中，阵列30用作一光学调谐系统中的一组件。本实施例考虑了阵列中的任何数量的传感元件36及任何数量的光学器件10。在本发明的一些实施例中，光学器件10的一阵列以多对一的一布置方式布置在一单一光学传感元件上，其中许多光学器件10用过滤光馈送相同的光学传感元件、在本发明的一些实施例中，光学器件10的一阵列布置在光学传感元件的一阵列上，例如，以一对一的方式，其中每一个光学器件10用过滤光馈送所述光学传感元件中的一个、在本发明的一些实施例中，一单一光学器件10以一对多的布置方式布置在光学传感元件的一阵列上，其中单个光学器件10用过滤光馈送许多光学传感元件其中一单一光学器件10用过滤光馈送许多光学传感元件，并且在所述本发明的一些实施例中，采用了所述上述配置的组合。如本文所用，所述术语“约”是指±10％。本文使用的“示例性”一词意味着“用作示例，实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其他实施例优选或有利和/或排除所述特征与其他实施例的结合。词语“任选地”在本文中用于表示“在一些实施例中提供而在其他实施例中未提供”。除非这些特征冲突，否则本发明的任何特定实施例可包括多个“可选”特征。术语“包括”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”及其缀合物表示“包括但不限于”。术语“由......组成”的意思是“包括但仅限于”。术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括另外的成分、步骤和/或部分，但仅在附加成分、步骤和/或部分不会实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖特征。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可包括多种化合物，包括其混合物。在整个申请中，可以参考范围格式呈现本发明的实施例。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应该被解释为对本发明范围的不灵活限制。因此，应该认为范围的描述具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，应该认为诸如“从1到6”的范围的描述具有特别公开的子范围，例如“从1到3”、“从1到4”、“从1到5”、“从2到4”、“从2到6”、“从3到6“等；以及该范围内的个别数字，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围的广度如何，这都适用。无论何时在本文中指示数值范围，其意图包括在所指示的范围内的任何引用的数字(分数或积分)。短语“范围/范围”，第一指示数字和第二指示数字以及“范围/范围”，第一指示数字“至”第二指示数字在本文中可互换使用，并且意味着包括第一和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数数字。应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者适合于本发明的任何其他描述的实施方案。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有那些元件的情况下不起作用。如上所述和如下面的权利要求部分所要求保护的本发明的各种实施方案和方面在以下实施例中找到实验支持。示例现在参考以下示例，其与以上描述一起以非限制性方式说明本发明的一些实施方案。发明人通过利用耦合到同一连续体的两个离散光学状态成功地生成了窄线形状。本实施例说明了基于光栅的结构，以支持几乎简并的双法诺谐振，以提供一窄谱线形。本实施例还证明了所述双谐振光谱位置和线形可通过调节所述光栅的所述周期性和单位晶胞或通过调节所述入射辐射的入射角来控制。为了同时产生两种不同的spp离散状态，设计了一种一不对称的imi结构。对于在这个实施例中进行的所述模拟，选择在其上侧通过空气包围并且在其底侧通过蓝宝石(al2o3)包围的银(ag)。一光场被模拟为从所述顶侧进入所述结构并且离开所述底侧。为了将这两个spp状态耦合到单个连续的输入/输出辐射，所述两个金属介质电介质界面周期性地起皱，其周期使用所述通常的spp激发条件计算：i＝1，2m＝0，±1，±2..其中i＝1(2)涉及所述顶部(底部)介电材料-金属界面，是在真空中的光学波长，n1是介电材料的折射率，θ1是入射角，∈m是金属介电常数，∈i是介电材料的介电常数，并且λi是波纹的周期，其匹配在界面i处具有spp激发的辐射。在本示例中选择了以下参数：入射角θ1＝15，衍射级m＝-1(m＝1)及在eq.1右侧负(正)符号对于上(下)波纹轮廓，并且λ＝800[nm]作为所述简并波长。最后一个参数是所述波长，在所述波长处，在所述给定的入射角下，两个spp模式都将被激发[23]。这也表示所述两个等离子体的所述束缚态的所述谐振频率，不包括与法诺型线形相关的固有频移。在这个波长下，材料的介电常数由下式给出：∈m＝-24-1.85i，ε2＝3.0276，ε1＝1[22]。对于这些值，发现每个界面上的波纹周期为λ1＝626[nm]且λ2＝506[nm]。在计算机模拟中，选择稍微不同的630[nm]及500[nm]的值以适应两个光栅的整数个周期，总体结构长度为63[μm]。位于所述金属每一侧的波纹被选择为足够深，以便在所述入射光及所述spp模式之间进行适当的耦合。基于数值模拟的优化(所有模拟均使用商业comsolmultiphysics软件包进行)，在所述空气侧产生所述波纹厚度为h1＝50[nm]，并且在所述蓝宝石侧h2＝40[nm]。为了结构完整性，在两个波纹之间分离出另外的完整金属层。这些层的厚度选择为10[nm]，以使所述金属内的所述总功率损耗最小化，但仍足够厚以允许可能的制造。用参数进行场传输的频谱表征对于一tm入射偏振场。首先考虑两种更简单的结构：一种结构在其上侧具有单个波纹，而所述第二结构在其下侧具有所述波纹(参见图4a至图4b及图4c至图4d)。如图所示，在两种情况下，通过单边界离散spp状态直接散射到连续间接通道之间的所述干涉导致标准的不对称ffr线形。图4b及图4d中的两个ffr线形都可以与所述形式匹配：其中t＝|s21|2，κ＝(ω-ωr)/γ是所述减少能量，qr描述所述线形的所述不对称的程度，qi描述所述内在损失，γ是所述谱线宽度，并且ωr是所述谐振频率。注意，与法诺的原始作品不同(参见参考文献[5])，其中一实际不对称参数q，本实施例采用复数q＝qr+iqi来通过其虚部来说明损失。所述光栅的参数可选地并且优选地映射到所述线形的所述参数。概括地说，所述不对称参数描述了所述入射辐射与所述spp状态和所述散射辐射状态的所述相对耦合强度，并且这些耦合由所述光栅的单位单元的所述形状确定。因此，选择所述光栅的所述周期以提供所述线形的预定近似谐振ωr，并且可选地且优选地基于所述不对称参数qr来选择所述光栅的所述单位单元配置。所述线形参数的匹配符合所述无损情形的eq.(2)，从所述两个单独的ffr情况中的每一个中提取，如图4b和图4d所示，通过首先求解涉及所述三个未知参数ωr、γ及qr的三个方程式。所述第一个方程，涉及所述eq.(2)到ωr的最大位置，所述第二个涉及所述eq.(2)至qr的最小位置及第三个所述涉及所述eq.(2)到γ的所述最大值的一半的所述位置。然后将用于求解所述三个方程的参数用作随后的最小二乘曲线拟合优化过程的初始猜测，以将所述模拟线形匹配到用eq.(2)给出的所述形式。对于仅在其顶侧具有所述波纹的一imi结构，以及仅在其底侧具有所述波纹的一imi结构，这些优化产生下表1中给出的所述参数。另外，为了将所述解析线形状的所述幅度归一化为所述数值结果，在所述数值模拟的单一ffr形状中，将所述每个单一ffr线形的最大值标准化为所述相应峰的所述最大值。表1中的所述参数由最小二乘优化给出，所述最优二乘优化拟合所述数值模拟到eq.(2)的所述数据。i＝1(2)用于具有顶部(底部)波纹的所述结构。表1ffr轮廓参数用于具有一单一光栅的两个不同结构的无损模型iγ[phz]ωr[phz]qr10.012.29-4.2520.032.4710.34对于双ffr，存在两个离散的约束模式，它们耦合到同一连续体。当辐射通过支撑这种配置的器件传输时，可以将其描述为干扰在一起的三个项的所述贡献。这三个项包括一直接散射路径及通过所述约束状态的两个间接路径。在这种情况下，所述线形是通过隐式分析得出的：注意，对于q1＝q2＝0，这个线形与所述与eit相关联的线形相同。根据本发明的一些实施例，组合两个分开的波纹，其中每一个波纹位于所述金属层(图4e)的所述多个侧面中的一个上。因此，每一个波纹将所述辐射模式耦合到不同的spp模式。所述传动确实导致双ffr线形(参见图4f中的所述连续线)。使用最小二乘优化将模拟的线形(无损失)拟合到eq.(3)，其中所述参数的所述初始猜测被视为表1中给出的所述单个ffr线形参数。这在下面的表2中给出的所述参数中提供。表2中的所述参数通过最小二乘优化拟合所述数值模拟的所述数据给予eq.(3)。i＝1(2)代表与所述顶部(底部)波纹相关的谐振。表2用于所述双光栅结构的所述无损模型的双ffr轮廓参数iγ[phz]ωr[phz]qr10.012.29-11.620.0252.4612.3表1及表2表明，当两个单独的谐振被一起设计到所述相同的器件中时，所述两个谐振的所述总宽度(与γ相关)以及它们的中心频率(ωr)不会显着改变。但是，所述不对称参数发生了显着变化。不受任何特定理论的束缚，假设这种变化是因为所述顶部spp更好地耦合到所述发射的辐射，因为它们之间的金属较少，这扩大了所述不对称参数，并且由于所述两个谐振之间的所述耦合。所述两种模式之间的所述耦合预期在所述模型中添加损失时减少。图4f示出了所述双ffr线形之间的所述差异，其通过将所述两个单独的单一ffr器件(虚线)的所述线形参数应用于所述双ffr线形(虚线)而构造，这最符合所述器件的所述实际线形(连续线)。当所述金属的所述固有损失包括在所述建模中时，它改变所述线形的所述参数。通常，所述场的所述传输较弱并且所述谐振的所述宽度增加。所述不对称参数的绝对值也减小。另外，所述最小的所述线形增加。当与图4b及图4d中所见的所述无损情况相比时，这些特性在图5b及图5d(实线)中描述的所述单一ffr器件的所述线形状中示出。所述与所述无损情况相同的程序用于提取所述单一ffr线形参数，其最适合所述单一光栅器件的所述模拟线形。所述差异是在所述初始步骤中添加了另一个等式，其将所述不对称参数的所述虚部与所述线形的所述最小值从零的所述位移相关联。提取的参数在下表3中给出。所述具有这些参数的单ffr线形如图5(a至b)所示(虚线)。表3中的所述参数通过最小二乘优化拟合所述数值模拟到eq.(2)的所述数据给出。i＝1(2)用于具有顶部(底部)波纹的所述结构。表3ffr轮廓参数用于具有单个光栅的两个不同结构的所述有损模型iγ[phz]ω_r[phz]qrqi10.0122.29-1.921.820.042.463.350当所述两个光栅组合成所述相同的器件时，除了所述的不对称参数外，所提取的所述参数最佳拟合所述双ffr线形(在下面的表4中给出)与为所述两个不同的单光栅结构(在表3中给出)提取的所述参数相对类似，与所述无损模型一样。所述最佳拟合线形(图5b及5d虚线)和所述线形与所述参数的所述两个单光栅器件(图5b及5d虚线)相似。这种相似性不受特定理论的束缚，与所述无损情况相比，减少了所述顶部和底部spp模式之间的相互作用。表4中的所述参数通过最小二乘优化拟合所述数值模拟的所述数据给予eq.(3)。i＝1(2)代表与所述顶部(底部)波纹相关的谐振。表4所述双光栅结构的所述有损模型的双ffr轮廓参数iγ[phz]ω_r[phz]qrqi10.0132.29-1.33920.0522.447.784.69可以通过改变所述光栅之一的所述周期来修改双ffr线形。例如，可以在所述其他谐振上“扫描”所述谐振之一。这在一系列模拟中得到证明(如图6a-f所示)，其中所述顶部波纹的所述周期分步设定，与所述底部spp的所述谐振相比，其将所述顶部spp谐振从较低波长移动到较高波长。图6a至图6f中的所述垂直虚线表示所述波长，在所述波长eq.1满足对于所述顶部波纹和相关spp以及所述底部波纹和相关spp的所述不同情况。这些波长不是所谓的精确共振波长，因为所述实际共振频率由于所述系统中所有与所述系统中的其他通道的相互作用(例如直接散射或所述结合状态之间的相互作用)而从这些值偏移。所述简并情况，其中ωr1＝ωr2，如图6d所示，其中所述双ffr轮廓减少到具有单个零的单个ffr线形。所述几乎简并的情况如图6e及图6f所示。这些情况表现出比由单光栅器件给出的所述相应的单一法诺谐振窄的特征。更改所述单位单元配置也会改变所述线形的所述形式，因为这些修改所述不对称参数。为了实现特定目标，例如最小化所述线形的所述突出特征的所述宽度，任选且优选地采用数值优化。模拟了所述双ffr线形对所述入射辐射的所述入射角的依赖性。结果显示在图7a至图7e。修改所述入射角改变所有耦合到spp模式的波长。如所述的两个spp色散曲线s不同，所述耦合波长的这种变化对于每个spp是不同的。结果，扫描所述入射角具有与所述光栅之一的所述周期性的变化类似的效果，因此可以在所述双ffr线形状中在其对应物上扫描一个谐振。因此，本实施例的所述结构的所述光谱响应是可调的。例如，可以通过修改所述入射光的所述入射角来操纵光谱响应。这个示例描述了支持双ffr线形的不对称imi结构。所述整体线形状可选地并且优选地通过所述结构的所述金属-绝缘体界面处的所述光栅的所述周期性以及它们的单位单元构造确定。所述谐振的位置与所述周期性有关，如计算机模拟所示。所述不对称参数主要通过每一个光栅的所述单位单元的所述形状来确定。所述事实，即所述双ffr线形与所述单ffr线形相比通常表现出更尖锐的特征，连同调节其特征的所述可能性，以及所述结构的所述简单性，使本实施例的所述结构对许多应用有用，包括，但不限于，传感、场增强及慢光器件。图8a中所示的结构与图8b及图8c中所示的所述光谱表明，当所述多个金属光栅位于所述基板的所述同一侧时，一光场也可以耦合成两种不同的spp模式。在这种情况下，所述光栅并排布置。远离所述结构的几个波长，所述从所述两个光栅传输或反射的所述辐射的干扰已经建立，导致所述双ffr线形状。所述两个光栅具有不同的周期性以耦合到不同频率的spp模式。所述光栅周期控制所述spps的所述谐振，当所述两个光栅的所述不同单位单元控制所述线形的其他方面。所述光栅的所述不同高度提供具有相反符号不对称参数的一线形，这有助于形成一更清晰的线形。图9a中描绘的结构与图9b及图9c中所示的光谱示出，在所述情况下，一光场可以耦成两种不同的spp模式，其中在所述基板的同一侧上的所述多个光栅是介电材料。所述线形比所述等离子体系统的所述情况更强(图8a至图8c)。所述原因是spp模式易于吸收，这对于所述介电材料结构中的所述导模而言是受到抑制。图10a中所示的结构(由介电基板顶部的一金属光栅制成)与图10b及图10c中所示的所述光谱表明，当采用一单一个准周期光栅时，一光场也可以耦合到两种不同的spp模式。图10a示出了所述几何形状的所述基本成分，而没有详细描述通过a及b表示的所述两个单位单元的所述实际排序。可以使用例如参考文献[37,38]中的所述教导来设计该结构的所述光谱。例如，在本发明的一些实施例中，采用称为切割及投射的技术。根据本发明的一些实施例，也可以使用一准周期全介电材料结构。在这些实施例中，两个接近频率的两个不同空间模式可以用作所述两种模式以用于实现所述双ffr线形。尽管已经结合本发明的具体实施方案描述了本发明，但显然许多替代，修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这些替代、修改和变化。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指出通过引用并入本文。另外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考可用作本发明的现有技术。在使用章节标题的范围内，它们不应被解释为必然限制。参考文献[1]andreye.miroshnichenko,sergejflach,andyuris.kivshar.fanoresonancesinnanoscalestructures.rev.mod.phys.,82:2257{2298,aug2010.[2]borisluk'yanchuk,nikolayi.zheludev,stefana.maier,naomij.halas,peternordlander,haraldgiessen,andchongtowchong.thefanoresonanceinplasmonicnanostructuresandmetamaterials.naturematerials,9:707{715,2010.[3]b.gallinet,a.lovera,t.siegfried,h.sigg,ando.j.f.martin.fanoresonantplasmonicsystems:functioningprinciplesandapplications.aipconferenceproceedings,1475(1),2012.[4]phdurand,ipaidarova,andfxgadea.theoryoffanoprofiles.journalofphysicsb:atomic,molecularandopticalphysics,34(10):1953,2001.[5]u.fano.effectsofconfigurationinteractiononintensitiesandphaseshifts.phys.rev.,124:1866{1878,dec1961.[6]hermanfeshbach.uniedtheoryofnuclearreactions.annalsofphysics,5(4):357{390,1958.[7]kiyoshiueda.spectrallineshapesofautoionizingrydbergseries.phys.rev.a,35:2484{2492,mar1987.[8]agiusti-suzorandufano.alternativeparametersofchannelinteractions.i.symmetryanalysisofthetwo-channelcoupling.journalofphysicsb:atomicandmolecularphysics,17(2):215,1984.[9]frederickh.mies.configurationinteractiontheory.effectsofoverlappingresonances.phys.rev.,175:164{175,nov1968.[10]w.leonski,r.tanas,ands.kielich.laser-inducedautoionizationfromadoublefanosystem.j.opt.soc.am.b,4(1):72{77,jan1987.[11]s.e.harris.laserswithoutinversion:interferenceoflifetime-broadenedresonances.phys.rev.lett.,62:1033{1036,feb1989.[12]nikitaspapasimakisandnikolayi.zheludev.metamaterial-inducedtransparency:sharpfanoresonancesandslowlight.opt.photon.news,20(10):22{27,oct2009.[13]carloforestiere,lucadalnegro,andgiovannimiano.theoryofcoupledplasmonmodesandfano-likeresonancesinsubwavelengthmetalstructures.phys.rev.b,88:155411,oct2013.[14]junqiaowang,chunzhenfan,jinnahe,peiding,erjunliang,andqianzhongxue.doublefanoresonancesduetointerplayofelectricandmagneticplasmonmodesinplanarplasmonicstructurewithhighsensingsensitivity.opt.express,21(2):2236{2244,jan2013.[15]jiweiqi,zongqiangchen,jingchen,yudongli,wuqiang,jingjunxu,andqiansun.independentlytunabledoublefanoresonancesinasymmetricmimwaveguidestructure.opt.express,22(12):14688{14695,jun2014.[16]alpartar,ahmetaliyanik,andhaticealtug.directionaldoublefanoresonancesinplasmonichetero-oligomers.nanoletters,11(9):3694{3700,2011.pmid:21806006.[17]guo-zhouli,qiangli,andli-junwu.doublefanoresonancesinplasmonicnanocrossmoleculesandmagneticplasmonpropagation.nanoscale,7:19914{19920,2015.[18]roberte.simpsonleizhangtuncao,chenweiweiandmartinj.cryan.fasttuningofdoublefanoresonanceusingaphase-changemetamaterialunderlowpowerintensity.scirep.,(4):4463,2014.[19]tsubasanishida,yosukenakata,fumiakimiyamaru,toshihironakanishi,andmitsuow.takeda.observationoffanoresonanceusingacoupledresonatormetamaterialcomposedofmeta-atomsarrangedbydoubleperiodicity.appliedphysicsexpress,9(1):012201,2016.[20]yupingzhang,tongtongli,beibeizeng,huiyunzhang,huanhuanlv,xiaoyanhuang,weilizhang,andabulk.azad.agraphenebasedtunableterahertzsensorwithdoublefanoresonances.nanoscale,7:12682{12688,2015.[21]chenxdchenwjdongjwouyangzwanggp1dengzl,yogeshn.fullcontrollingoffanoresonancesinmetal-slitsuperlattice.scirep.,(5):18461,2015.[22]m.n.polyanskiy.refractiveindexdatabase.2016.[23]h.raether.surfaceplasmonsonsmoothandroughsurfacesandongratings.numberv.111inspringertractsinmodernphysics.springer,1988.[24]quangminhngo,khaiq.le,dinhlamvu,andvanhoipham.opticalbistabilitybasedonfanoresonancesinsingle-anddouble-layernonlinearslabwaveguidegratings.j.opt.soc.am.b,31(5):1054{1061,may2014.[25]stephanecollin,gregoryvincent,riadhaidar,nathaliebardou,sylvainrommeluere,andjean-lucpelouard.nearlyperfectfanotransmissionresonancesthroughnanoslitsdrilledinametallicmembrane.phys.rev.lett.,104:027401,jan2010.[26]yezhou,m.c.y.huang,c.chase,v.karagodsky,m.moewe,b.pesala,f.g.sedgwick,andc.j.chang-hasnain.high-index-contrastgrating(hcg)anditsapplicationsinoptoelectronicdevices.selectedtopicsinquantumelectronics,ieeejournalof,15(5):1485{1499,sept2009.[27]bjornc.p.sturmberg,kokoub.dossou,lindsayc.botten,rossc.mcphedran,andc.martijndesterke.fanoresonancesofdielectricgratings:symmetriesandbroadbandfiltering.opt.express,23(24):a1672{a1686,nov2015.[28]jiaolin,lujunhuang,yilingyu,sailinghe,andlinyoucao.deterministicphaseengineeringforopticalfanoresonanceswitharbitrarylineshapeandfrequencies.opt.express,23(15):19154{19165,jul2015.[29]zhao-xianchen,jin-huichen,zi-jianwu,weihu,xue-jinzhang,andyan-qinglu.tunablefanoresonanceinhybridgraphene-metalgratings.appliedphysicsletters,104(16),2014.[30]yongsjoe,arkadymsatanin,andchangsubkim.classicalanalogyoffanoresonances.physicascripta,74(2):259,2006.[31]benjamingallinet.fanoresonancesinplasmonicnanostructures.phdthesis,sti,lausanne,2012.[32]andreasbarnthaleretal,probingdecoherencethroughfanoresonances.phys.rev.lett.,105:05680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