CN108519352B - 一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器 - Google Patents

一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于金属‑介质‑金属波导布拉格光栅的折射率传感器，该折射率传感器包括金属‑介质‑金属波导、波导内的金属膜以及布拉格光栅结构，所述波导的宽度为w，波导内的介质为空气，所述布拉格光栅结构由单元A和单元B周期性排列构成，布拉格光栅的周期数为N，所述单元A的宽度和长度分别为w A和d A，单元B的宽度和长度分别为w B和d B。通过在金属‑介质‑金属波导中引入金属‑布拉格光栅结构，有效地激发金属和布拉格光栅的界面上的类光学Tamm态，该折射率传感器器件具有结构简单、易制备、尺寸小、快速传感、且工作波长可调等特点，因此未来在光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，可用于纳米光子学领域及集成光学技术领域。
背景技术
表面等离激元(surface plasmon polaritons，SPPs)是一种局域在金属/介质表面的局域电磁模式，通过光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在更小的尺度内。该模式的振荡频率由贵金属与其周围环境的折射率共同决定，因此对周围折射率环境十分敏感。近年用于折射率传感的表面等离激元有两种，一种是表面等离激元共振(surface plasmon resonance，SPR)，另一种是局域型表面等离激元(localized surface plasmon resonance，LSPR)。前者SPR是一种非接触式、实时传感器，它一般是通过棱镜耦合或者光栅耦合将入射光与表面等离激元的传播常数匹配以激发表面等离激元。故它需要精确的控制其入射光的入射角度，难以实现小型化(Taylor A D，Ladd J，Yu Q，et al.Quantitative and simultaneous detection of four foodbornebacterial pathogens with a multi-channel SPR sensor.[J].Biosensors&Bioelectronics，2006，22(5)：752-758.)。后者LSPR可以直接将光照射在金属纳米颗粒、金属表面纳米孔或者其它纳米结构直接激发，通过不同环境折射率下，所激发的光散射谱的变化来传感(Yang X，Lu Y，Liu B，et al.Simulation of LSPR Sensor Based onExposed-core Grapefruit Fiber with a Silver Nanoshell[J].Journal of LightwaveTechnology，2017，PP(99)：1-1.)。2005年，A.V.Kavokin等人于提出的一种新型的无耗散局域界面模式-光学Tamm态(Kavokin A V，Shelykh I A，Malpuech G.Lossless interfacemodes at the boundary between two periodic dielectric structures[J].PhysicalReview B，2005，72(23)：3102.)，为新型微纳光子器件的设计开辟了新途径。
目前能够观测到光学Tamm态(OTS)的结构主要有两种：一维光子晶体异质结结构和金属-分布式布拉格反射镜(DBR)结构。这种新型的光学表面态是由电子表面态类比而来，相对于SPPs，OTS在激发机制和光学特性上具有诸多优势：OTS色散曲线位于光锥内侧，入射光能够直接激发OTS，不需要特定的色散补偿结构；TE和TM偏振光都能够有效激发OTS，没有偏振依赖性；OTS极化激元线宽极窄，比SPPs的线宽小接近一个数量级，具有更强的局域场增强效应；OTS形成于光子晶体界面上，损耗更小。据国内外研究发现，在金属-介质-金属(MIM)波导中引入布拉格光栅，可以使得表面等离激元的传播特性受到影响，具有光子禁带特性。目前已经研究了各种等离子布拉格光栅结构，如通过周期性改变金属层材料来构建波导结构(Wang B，Wang G P.Plasmon Bragg reflectors and nanocavities on flatmetallic surfaces[J].Applied Physics Letters，2005，87(1)：013107-013107-3.)，或者交替堆叠电介质材料构建低损耗的MIM波导SPPs布拉格反射器等(Hosseini A，MassoudY.A low-loss metal-insulator-metal plasmonic bragg reflector[J].OpticsExpress，2006，14(23)：11318-11323.)。进一步，通过在MIM波导内引入金属-布拉格光栅结构，也可以在MIM波导中能形成类似光学Tamm态的强局域现象，我们称之为类光学Tamm态(quasi OTS)。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，包括金属-介质-金属波导、波导内的金属膜以及布拉格光栅结构，所述波导的宽度为w，波导内的介质为空气，所述布拉格光栅结构由单元A和单元B周期性排列构成，布拉格光栅的周期数为N，所述单元A的宽度和长度分别为wA和dA，单元B的宽度和长度分别为wB和dB。
优选地，所述金属-介质-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属膜-布拉格光栅结构中的金属相同，均为银。
优选地，所述波导内的金属膜厚度为dm，所述金属模厚度小于折射率传感器工作波长λ的趋肤深度。
优选地，所述布拉格光栅中填充有待测介质，所述待测介质的折射率为n。
优选地，所述布拉格光栅周期数N的取值范围为5～10。
优选地，所述布拉格光栅的周期数N为6。
优选地，所述布拉格光栅的周期数N为6时，布拉格光栅禁带范围为835～1745nm，入射光波长为1180nm，入射方向为由波导内的金属膜一侧入射。
优选地，所述金属-介质-金属波导的波导宽度w＝60nm，所述单元A的宽度和长度分别为wA＝60nm和dA＝180nm，单元B的宽度和长度分别为wB＝460nm和dB＝200nm。
优选地，所述入射光为TM偏振光，所述TM偏振光由金属膜一侧入射时，金属-介质-金属波导内的等离子体激元模式得到有效激发，等离子体激元沿着波导传输，到达金属-布拉格光栅界面，当金属与布拉格光栅之间的虚相位及虚阻抗满足匹配条件时，在金属与布拉格光栅界面处激发出类光学Tamm态，相应的在原布拉格光栅的禁带内形成反射凹峰，类光学Tamm态的激发波长随着布拉格光栅中所填充的介质的折射率的变化而变化。
本发明技术方案的优点主要体现在：通过在金属-介质-金属(MIM)波导中引入金属-布拉格光栅结构，有效地激发金属和布拉格光栅的界面上的类光学Tamm态，利用类光学Tamm态的激发波长对布拉格光栅中填充介质折射率的敏感特性，提出了基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器。该折射率传感器器件具有结构简单、易制备、尺寸小、快速传感、且工作波长可调等特点，因此未来在光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器的剖面结构示意图。
图2为本发明的TM偏振光由金属膜侧入射，入射光波长为1180nm时，传感器器件中的磁场强度|Hy|分布图。
图3为本发明的布拉格光栅中介质为空气时，不同波长下反射、透射、吸收的变化关系图。
图4为本发明的布拉格光栅中介质的折射率与折射率传感器的反射谱关系图。
图5为本发明的传感器器件反射中的反射凹峰所对应的波长随待测介质折射率的变化关系图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，如图1所示，包括包括金属-介质-金属波导1、波导内的金属膜2以及布拉格光栅结构，所述金属-介质-金属波导简称为MIM(Metal Insulator Metal)，所述波导的宽度为w，波导内的介质为空气，所述布拉格光栅结构由单元A和单元B周期性排列构成，布拉格光栅的周期数为N，所述单元A的宽度和长度分别为wA和dA，单元B的宽度和长度分别为wB和dB。
所述金属-介质-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属膜-布拉格光栅结构中的金属相同，均为银。所述波导内的金属膜厚度为dm，所述金属膜厚度dm的取值为20nm，所述金属模厚度小于折射率传感器工作波长λ的趋肤深度，当金属膜的厚度大于工作波长的趋肤深度时，光无法透过。其介电常数可参考Drude模型：
Figure BDA0001622404460000041
其中ε∞＝3.7为带间跃迁对介电常数的贡献，ωp＝9.1eV为等离子体共振频率，γ＝0.018eV为电子碰撞频率，ω为真空中的入射光频率，其金属膜厚度小于入射光波长的趋肤深度。通过调节传感器器件中介质的折射率、布拉格光栅参数，以及波导中金属膜的厚度等结构参数，可灵活调节传感器的工作波长和传感范围。
所述布拉格光栅中填充有待测介质3，所述待测介质3的折射率为n。所述布拉格光栅周期数N的取值范围为5～10，在本技术方案中，所述布拉格光栅的周期数N优选为6。
所述金属-介质-金属波导的波导宽度的w＝60nm，所述单元A的宽度和长度分别为wA＝60nm和dA＝180nm，单元B的宽度和长度分别为wB＝460nm和dB＝200nm。入射光波长为1180nm，入射方向为由波导内的金属膜一侧入射。
如图2所示为TM偏振光由金属膜一侧入射，入射光波长为1180nm时(即类光学Tamm态的激发波长)，传感器器件中的磁场强度分布。TM偏振光从金属膜一侧入射时，MIM波导内的等离子体激元(SPPs)模式得到有效激发，等离子体激元(SPPs)沿着波导传输，到达金属-布拉格光栅界面，由于金属与布拉格光栅之间的虚相位及虚阻抗满足匹配条件，进一步在金属与布拉格光栅界面处激发出类OTS，OTS是指无耗散局域界面模式。由于类光学Tamm态具有局域场增强效应，在布拉格光栅的禁带中形成一个发射凹峰，类光学Tamm态的激发波长随着布拉格光栅中所填充的介质的折射率的变化而变化。
如图3所示，横坐标为工作波长，纵坐标为反射率R、透射率T、吸收率A，不同线型可以表明，当布拉格光栅中的介质为空气，即n＝1时，不同波长下反射、透射、吸收变化关系，即反射、透射、吸收谱，实线为反射谱，虚线为透射谱，点线为吸收谱。
如图4所示，当布拉格光栅中介质的折射率n的取值分别为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0时，该折射率传感器的反射谱，图中横坐标为折射率、纵坐标为反射率。
如图5所示，传感器器件反射谱中的反射凹峰所对应的波长，即类光学Tamm态的激发波长随着待测介质折射率的变化关系，图中纵坐标表示入射光波长，入射光波长范围1200～1600nm，横坐标表示折射率。从图5中可直观看出，传感器器件反射谱中的反射凹峰所对应的波长，即类光学Tamm态的激发波长随着待测介质折射率的变化关系呈线性关系。定义传感器器件的灵敏S＝Δλ/Δn和品质因子FOM＝|(Δλ/Δn)/FWHM|，其中Δn为待测介质折射率变化，Δλ为所述类光学Tamm态的激发波长的变化，FWHM为所述类光学Tamm态的半高全宽，约为20nm，通过计算可得，传感器器件的灵敏度S可达1500RIU/nm，品质因子FOM为75。
通过在金属-介质-金属(MIM)波导中引入金属-布拉格光栅结构，有效地激发金属和布拉格光栅的界面上的类光学Tamm态，利用类光学Tamm态的激发波长对布拉格光栅中填充介质折射率的敏感特性，提出了基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器。该折射率传感器器件具有结构简单、易制备、尺寸小、快速传感、且工作波长可调等特点，因此未来在光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，其特征在于：包括金属-介质-金属波导、波导内的金属膜以及布拉格光栅结构，所述波导的宽度为w，波导内的介质为空气，所述布拉格光栅结构由单元A和单元B周期性排列构成，布拉格光栅的周期数为N，所述单元A的宽度和长度分别为w A和d A，单元B的宽度和长度分别为w B和d B；所述布拉格光栅中填充有待测介质，所述待测介质的折射率为n；
所述波导内的金属膜厚度为d m，所述金属膜厚度小于折射率传感器工作波长l的趋肤深度；所述金属-介质-金属波导的波导宽度w=60nm，所述单元A的宽度和长度分别为w A=460nm和d A=180nm，单元B的宽度和长度分别为w B=60nm和d B=200nm；
入射光为TM偏振光，所述TM偏振光由金属膜一侧入射时，金属-介质-金属波导内的等离子体激元模式得到有效激发，等离子体激元沿着波导传输，到达金属-布拉格光栅界面，当金属与布拉格光栅之间的虚相位及虚阻抗满足匹配条件时，在金属与布拉格光栅界面处激发出类光学Tamm态，相应的在原布拉格光栅的禁带内形成反射凹峰，类光学Tamm态的激发波长随着布拉格光栅中所填充的介质的折射率的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，其特征在于：所述金属-介质-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属膜-布拉格光栅结构中的金属相同，均为银。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，其特征在于：所述布拉格光栅周期数N的取值范围为5～10。
4.根据权利要求3所述的一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，其特征在于：所述布拉格光栅的周期数N为6。
5.根据权利要求4所述的一种基于金属-介质-金属波导布拉格光栅的折射率传感器，其特征在于：所述布拉格光栅的周期数N为6时，布拉格光栅禁带范围为835~1745nm，入射光波长为1180nm，入射方向为由波导内的金属膜一侧入射。
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