COMSOL仿真Fano共振传感器设计与优化

姜食堂2·2026-08-28·阅读 70 GEO检测（免费）

Fano共振COMSOL仿真折射率传感器

|难度：普通|阅读约 8 分钟

1. 项目背景与核心价值

Fano共振型折射率传感器是近年来光学传感领域的重要研究方向。与传统的表面等离子体共振(SPR)传感器相比，Fano共振传感器具有更高的灵敏度（通常可达500-1000nm/RIU）和更窄的线宽（半高全宽可小于10nm）。这种传感器通过特殊的结构设计产生非对称的Fano共振线型，当外界折射率变化时，共振峰会发生显著偏移。

COMSOL Multiphysics作为一款强大的多物理场仿真软件，特别适合用于此类复杂光学结构的模拟。其波动光学模块提供了完美的仿真环境，可以准确模拟从可见光到近红外波段的电磁波与微纳结构的相互作用。通过COMSOL，我们可以在计算机上完整复现整个传感器的设计过程，大幅降低实验成本和时间。

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2. 传感器结构与工作原理

2.1 典型Fano共振结构设计

在实际设计中，我们通常采用金属-介质-金属(MIM)波导耦合环形谐振腔的结构。具体参数如下：

组件	材料	尺寸参数	作用
底层金属	金(Au)	厚度50nm	形成波导下壁
介质层	SiO₂	厚度200nm	波导核心层
环形谐振腔	金(Au)	半径500nm，线宽50nm	产生Fano共振
顶层金属	金(Au)	厚度50nm	波导上壁

这种结构通过波导与环形谐振腔的耦合，会在传输谱上产生典型的Fano共振线型。当传感区域折射率变化时，共振条件改变，导致共振峰位置移动。

2.2 Fano共振的物理机制

Fano共振源于离散态与连续态之间的干涉。在我们的结构中：

连续态：MIM波导中的传播模式
离散态：环形谐振腔中的局域表面等离激元共振

当这两个模式耦合时，就会产生非对称的Fano线型。其数学表达式为：

T(ω) = (q + ε)²/(1 + ε²)

其中：

q是Fano参数，描述线型不对称程度
ε = (ω - ω₀)/(Γ/2)，ω₀是共振频率，Γ是线宽

3. COMSOL仿真实现步骤

3.1 模型建立与参数设置

启动COMSOL，选择"波动光学"→"电磁波，频域"研究类型
在几何中依次构建：
- 基底：

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COMSOL仿真Fano共振传感器：原理、设计与优化

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