CN109001158A - 一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器 - Google Patents

一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，包括基底和分布在所述基底上的纳米金属结构，所述纳米金属结构包括：内齿轮环形耦合腔以及耦合腔下的直波导；内齿轮环形耦合腔包括环形及环形内部的四个突出的齿形结构；可通过改变齿高、环形半径等参数来改变谐振波长的位置，从而扩大使用范围。本发明是利用金属表面等离激元效应原理，使用金属‑介质‑金属波导结构进行设计的基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，结构相对简单、折射率敏感度高、制备方便，可应用于生物传感器、化学传感器等。

Description

一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器
技术领域
本发明涉及一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器技术，属于纳米传感器技术领域。
背景技术
表面等离激元是金属表面的自由电子和电磁波相互作用产生的在金属和介质表面传输的一种能量波，它可以克服传统的衍射极限，可以使电磁场的局域性极大增强。这种卓越的特性使得人们可以在纳米量级对光场进行控制，并且制造出可以高度集成的光子器件。研究波段已经扩展到了可见光和近红外区域，因此具有广泛的应用前景。
表面等离激元可以将电磁场限制在金属的表面，我们只需改变金属表面的形状结构，就可以对表面等离激元进行控制。但是金属拥有吸收特性，光子的能量会被金属吸收转化为内部的热量，通常会有很大的损耗。但是将金属的厚度减小到一定程度的时候，金属上下表面的等离激元会分为两种不同的模式，其中一种模式的传播常数的虚部会趋近于0，损耗较小，传输距离较长，这就是长程表面等离子体。但是长程表面等离子体缺少等离激元器件所需要的表面局域特性。因此人们开始关注基于表面等离激元的金属-介质-金属波导结构，这种波导结构具有良好的局域特性，其损耗在所需长度范围内不是很高，传输的距离相对较长，可应用于纳米传感器的设计。
发明内容
为了克服当前的折射率传感器的敏感度低，体积大，难以集成的问题，本发明提出了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，提高传感器灵敏度。
为达到上述目的，本发明提出了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，包括基底和分布在所述基底上的纳米金属结构，所述纳米金属结构包括：直波导以及直波导之上两个内齿轮环形耦合腔；内齿轮环形耦合腔包括环形及环形内部的四个突出的齿形结构；可通过改变齿高、环形半径等参数来改变谐振波长的位置，从而扩大使用范围。
本发明以二氧化硅材料为基底，在基底上制备金属层图案，采用的贵金属材料为银。内齿轮环形腔的齿形结构圆弧中心与环形圆心的连线分别垂直或平行于直波导；内齿轮环形的齿形结构是相同的，两个内齿轮环形腔是完全相同的；直波导与下内齿轮环形腔的耦合间距和两内齿轮环形腔之间的耦合间距相同，环形部分的宽度，与直波导的宽度相同。
电磁波从左侧的输入端口输入直波导，在波长满足谐振条件时，从直波导耦合进入下内齿轮环形腔，然后耦合进入上内齿轮环形腔。在内齿轮环形腔中存在两种谐振模式，一种模式光场在环形部分的强度较大，称之为环模式，另一种模式光场在齿形结构处的强度较大，称之为齿模式；本结构形成的透射光谱中，齿模式对应的谐振峰深度较大，环模式对应的谐振峰深度较小，因此采用齿模式对应的谐振峰作为检测的特征峰。
本发明中上内齿轮环形腔耦合进入下内齿轮环形腔中的光场与直波导耦合进入下内齿轮环形腔的光场会产生干涉相消，因此透射光谱中有两个齿模式的特征峰，这两个峰均可用于检测。当介质部分的折射率发生变化时谐振峰的位置也会发生变化，根据峰值的位置可得到介质的折射率数值。
本发明的有益效果是：
本发明提出的双内齿轮环形传感器，基于双内齿轮环形腔的纳米传感器在实现局域场增强的同时又实现了良好的场约束效应，对待测介质折射率的变化非常敏感；透射谱图中有两个谐振峰都可以用来检测介质的折射率，因此波长的选择范围较广；结构包括直波导和两个内齿轮环形耦合腔，结构相对简单，面积较小，易于高度集成。
附图说明
图1为本发明的截面示意图。
图2为本发明计算得到的透射光谱图。
图3为填充介质的折射率分别为1.00、1.01、1.02的透射谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，包括直波导1、两个内齿轮环形腔3、4。整个器件位于二氧化硅基底上，基底上设有纳米金属结构，所述纳米金属结构2材料为银，直波导1和内齿轮环形腔3、4中的物质为待测介质。
具体来说，直波导1的左端为输入端口，直波导1的右端为输出端口；内齿轮环形腔3、4的齿形结构圆弧中心与环形圆心的连线分别垂直或平行于直波导1，齿形结构弧形和环形是同心的。每个齿形结构所对的圆心角为30°，内齿轮环形的齿形结构是相同的，两个内齿轮环形腔3、4是完全相同的；直波导1与下内齿轮环形腔3的耦合间距和两内齿轮环形腔3、4之间的耦合间距相同；环形部分的宽度，与直波导的宽度相同；需要说明的是，图示的输入端口和输出端口可以互换，环形外轮廓可以为圆形和多边形，优选圆形；直波导1的宽度和内齿轮环形腔环形部分的宽度为50nm，内齿轮环形腔3与直波导1之间的耦合距离和两内齿轮环形腔3、4之间的耦合距离相同为10nm，内齿轮环形腔环形部分外半径为300nm，内半径为250nm，齿形结构对应的半径为230nm，但实际应用的尺寸不限于本实例中的尺寸，应结合实际应用而定。
下面对基于双内齿轮环形腔的纳米传感器的传输特性进行研究。
设置电磁波从直波导的左边的输入端口输入，从直波导的右端输出端口输出，输入的电磁波能量为P输入，输出的电磁波能量P输出，透射率为P输出/P输入，如图2所示是基于双内齿轮环形腔的纳米传感器的透射谱图，扫描波长从900nm到1400nm；可以看到图2中有三个明显的谐振峰，分别在波长1109nm，1248nm和1313nm处；波长在1109nm处的谐振峰是环模式产生的，波长在1248nm和1313nm处的谐振峰是齿模式产生，单一的内齿轮环形腔的透射谱图在两波长之间产生单一的谐振峰，而双齿轮环形腔使得原本的齿模式的谐振峰发生分裂，其原因为直波导1耦合进入内齿轮环形腔3中的电磁波与内齿轮环形腔4耦合进入内齿轮环形腔3中的电磁波有一个π的相位差，在内齿轮环形腔3中发生干涉相消，因此使得模式发生分裂；如果增大环形结构的半径谐振波长会发生红移，因此可以改变传感器的尺寸使得传感器可以应用于更广的波长范围；波长为1109nm时有部分能量耦合进入直波导上的双内齿轮环形腔3，但只有少量的能量耦合进入内齿轮环形腔4，此时的透射率为0.7左右，波长在1248nm和1313nm处，直波导中的大部分能量耦合进入内齿轮环形腔3中，然后又耦合进入内齿轮环形腔4中；在波长1280nm处内齿轮环形腔3中的光场发生了干涉相消，大部分电磁波从直波导的输出端口输出。
在透射光谱图中，圆形标志的曲线代表折射率为1.00，上三角标志折射率为1.01，下三角标志折射率为1.02；介质的折射率增大，谱线的谐振峰会发生红移，平均折射率每增加0.01，第二谐振峰值波长红移12.25nm，折射率敏感度为1225nm/RIU，第三谐振峰值波长红移13nm，折射率敏感度为1300nm/RIU，第三谐振峰的折射率敏感度更高；本发明是利用金属表面等离激元效应原理进行设计的基于表面等离激元的折射率传感器，结构相对简单、折射率敏感度高、制备方便，可应用与生物传感器、化学传感器等。
以上所述的实例仅为本发明的一种较佳实施例以及所运用的技术原理。本发明并不限于上述的实施列，对本领域的技术人员来说可以进行各种调整及变化，但是不会脱离本发明的保护范围。在不脱离本发明构思技术原理的条件下，还可以进行更多的实例设计。

Claims (4)

1.一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，其特征在于：所述传感器包括直波导（1）、上内齿轮环形腔（3）、下内齿轮环形腔（4），传感器位于二氧化硅基底上，基底上设有纳米金属结构（2），所述的内齿轮环形腔（3）（4）中包括环形结构和四个相同的齿形结构，环形结构和齿形结构是同心分布的，内齿轮环形腔的齿形结构圆弧中心与环形圆心的连线分别垂直和平行于直波导，两个内齿轮环形腔是完全相同的，直波导与下内齿轮环形腔的耦合间距和两内齿轮环形腔之间的耦合间距相同，环形部分的宽度，与直波导的宽度相同，直波导（1）和内齿轮环形腔（3）（4）中的物质为待测介质。
2.根据权利要求1所述的一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，其特征在于：直波导（1）的左端为输入端口，直波导1的右端为输出端口，电磁波从左侧的输入端口输入直波导，在波长满足谐振条件时，从直波导耦合进入下内齿轮环形腔（3），然后耦合进入上内齿轮环形腔（4）。
3.根据权利要求1所述的一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，其特征在于：所述的纳米金属结构（2）的材料为银。
4.根据权利要求1所述的一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，其特征在于：所述的待测介质为折射率较小的气体或液体。
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