CN109030415A - 一种基于双Fano共振的折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于双Fano共振的折射率传感器，该传感器包括金属‑绝缘体‑金属波导，波导内的金属隔板，以波导为中心，波导两侧分别设有一个矩形腔A和矩形腔B，矩形腔A平行于波导，矩形腔B垂直于波导，金属‑绝缘体‑金属波导的宽度为w，金属隔板的厚度为dm，矩形腔A的宽度和高度分别为L1、H1，矩形腔A到波导的距离为G1，矩形腔B的宽度和高度分别为L2、H2，矩形腔B到波导的距离为G2。光波在波导芯中传输时会耦合进两侧的矩型腔，当满足共振条件时，形成Fano共振，在其透射谱上出现相应的共振峰。Fano共振是一种弱耦合效应，对结构参量的变化异常敏感，改变两侧矩形腔内填充介质的折射率会使Fano共振峰产生偏移，从而实现对介质折射率的传感。

Description

一种基于双Fano共振的折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种基于双Fano共振的折射率传感器，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(SPPs)是一种由光波和金属表面自由电子相互作用而形成的电磁波，它被束缚在金属表面，在分界面处光场能量最大，并且向两边迅速衰减。SPPs能够突破衍射极限，并且具有巨大的局域场增强效应，可以实现纳米尺寸的光信息传输与处理，为光子器件的集成化和小型化提供了可能。另外它的这些特殊性质，使其在微纳集成光子器件、高密度数据存储、超分辨率纳米光刻、太阳能电池、生物检测和传感等领域有着重大应用。在纳米尺寸的光信息传输与处理中，表面等离激元波导是一个重要的研究方向。目前，人们已对多种不同结构的SPPs波导结构进行了研究，包括V形槽波导，纳米线波导，楔形结构波导，金属缝结构波导，金属-绝缘体-金属(MIM)波导等。在众多的SPPs波导结构中，MIM波导结构因其损耗低、传播距离长等优点而得到了更广泛的应用。
Fano共振的物理起源是来源于共振过程和非共振过程之间的量子干涉效应。它的共振散射截面方程可以表示为:
其中q为Fano参数，描述这种谱线的不对称度，ω0和γ分别表示Fano共振峰的位置和线宽，ε＝2(ω-ω0)/γ。相对于传统的洛仑兹谱线，Fano共振谱线是非对称的，并且谱宽非常狭窄。Fano共振结构在生物/化学传感、光学开关和表面增强拉曼散射(SERS)等领域具有巨大的应用前景。
在表面等离激元金属纳米结构中，金属纳米颗粒的偶极共振会产生亮模式与暗模式，当这些亮模式与暗模式近场耦合时，会发生相消干涉，就会产生Fano共振效应，在Fano共振位置处，系统辐射衰减会被有效地抑制，这种体系相对于一般的表面等离激元结构具有更大的场增强效果以及更加精细的光谱。目前，已经在大量表面等离激元结构中发现了Fano共振现象，比如周期扰动光栅、分裂环、不对称金属颗粒二聚体，金属纳米球壳、非共轴环和圆盘组成的微腔等。通过在金属纳米结构中引入不对称性，产生Fano共振可以实现窄带光谱特性，能够有效提高等离激元结构折射率传感器的灵敏度[屈炜,李静.等离激元Fano共振纳米结构及其应用[J].新技术新工艺,2017(05):15-19.]。MIM波导以其独特的场局域能力，吸引了大批的研究人员的兴趣。加上Fano共振独特的性质，在MIM波导中实现Fano共振己经成为人们研究的一个热点。
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，提出一种基于双Fano共振的折射率传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于双Fano共振的折射率传感器，包括金属-绝缘体-金属波导，波导内的金属隔板，以波导为中心，波导两侧分别设有一个矩形腔A和矩形腔B，矩形腔A平行于波导，矩形腔B垂直于波导，金属-绝缘体-金属波导的宽度为w，金属隔板的厚度为dm，矩形腔A的宽度和高度分别为L1、H1，矩形腔A到波导的距离为G1，矩形腔B的宽度和高度分别为L2、H2，矩形腔B到波导的距离为G2。
优选地，所述金属-绝缘体-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属隔板中的金属相同。
优选地，所述金属-绝缘体-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属隔板中的金属均为银。
优选地，所述波导中的介质为空气。
优选地，所述矩形腔A与矩形腔B中分别填充有待测介质，所述待测介质的折射率为n。
优选地，光波在波导芯中传输时会耦合进两侧的矩形腔A和矩形腔B，当满足共振条件时，形成Fano共振，在透射谱上出现相应的共振峰，改变两侧矩形腔A和矩形腔B内填充介质的折射率，会使Fano共振峰产生偏移。
本发明技术方案的优点主要体现在：Fano共振是一种弱耦合效应，它对结构参量的变化异常敏感，改变两侧矩形腔内填充介质的折射率，会使Fano共振峰产生偏移，由此可以制作基于Fano共振的折射率传感器。本发明是一种高灵敏折射率传感器件，相对于单个Fano共振的折射率传感器件，本发明通过采用两个Fano共振耦合的方式实现传感，有效地提高折射率传感器的灵敏度，并且易于实施。
附图说明
图1为本发明的一种基于双Fano共振的折射率传感器的剖面视图。
图2为本发明波导两侧矩形腔内待测介质折射率分别为1，1.05，1.1，1.15，1.2时，折射率传感器的透射谱。
图3为本发明折射率传感器Fano共振波长随着矩形腔内待测介质折射率的变化关系。
附图标记：1-金属-绝缘体-金属波导；2-金属隔板；3-矩形腔A与矩形腔B中的待测介质。
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双Fano共振的折射率传感器，如图1所示，该基于双Fano共振的折射率传感器，包括金属-绝缘体-金属波导1，波导内的金属隔板2，以波导为中心，波导两侧分别设有一个矩形腔A和矩形腔B，矩形腔A平行于波导，矩形腔B垂直于波导，金属-绝缘体-金属波导的宽度为w，MIM波导宽度w＝50nm。
金属隔板的厚度为dm，波导芯中金属隔板厚度为dm＝20nm，矩形腔A的宽度和高度分别为L1、H1，矩形腔A到波导的距离为G1，矩形腔B的宽度和高度分别为L2、H2，矩形腔B到波导的距离为G2。具体地，矩形腔A的宽度和高度分别为L1＝400nm和H1＝50nm，距离波导的距离G1＝10nm，矩形腔B的宽度和高度分别为L2＝430nm和H2＝50nm，距离波导的距离G2＝10nm。
所述金属-绝缘体-金属(MIM)波导结构中的金属与所述波导内的金属隔板中的金属相同，均为银。其介电常数可参考Drude模型：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。
所述波导中的介质为空气，所述矩形腔A与矩形腔B中分别填充有待测介质3，所述待测介质的折射率为n。
光波在波导芯中传输时会耦合进两侧的矩形腔A和矩形腔B，当满足共振条件时，形成Fano共振，在透射谱上出现相应的共振峰，改变两侧矩形腔A和矩形腔B内填充介质的折射率，会使Fano共振峰产生偏移。
MIM波导结构中的Fano共振现象可以使用时域耦合模理论进行分析，我们先考虑只有矩形腔A，d1和d2是波导中的前向和后向传播模式的输入耦合系数，si+和si-(i＝1,2)分别表示输入和输出波进入波导时的幅度，ω0为共振频率，和分别为振幅在矩形腔A内传输到两个端口的衰减率以及矩形腔A的固有损耗。
矩形腔A的光场强度a变化为：
由于能量守恒，输出的波为：
散射矩阵C表示输入和输出波之间的直接耦合，表示为:
其中rB和tB是相应的幅度反射系数和透射系数，所以系统传递函数可以表示为：
同理，我们考虑两个腔的情况，ωA，ωB为A，B两个腔各自与波导的共振频率，μ为两腔间的耦合系数，和分别为矩形腔A和矩形腔B的固有损耗。矩形腔A的光场强度a和矩形腔B光场强度b随时间变化如下：
可以得到传递函数：
图2所示为波导两侧矩形腔内待测介质折射率分别为1，1.05，1.1，1.15，1.2时，折射率传感器的透射谱，λ为共振波长，n为待测介质折射率。光波在波导芯中传输时会耦合进两侧的矩型腔，当满足共振条件时，形成Fano共振，在其透射谱上出现相应的共振峰。Fano共振是一种弱耦合效应，它对结构参量的变化异常敏感，当波导两侧矩形腔内所填充的待测介质折射率发生改变时，Fano共振波长也会产生相应变化，从而由共振波长的变化得到折射率的变化，实现对待测介质折射率的传感。如图2所示，随着折射率的增加，Fano共振波长红移。
图3所示为折射率传感器Fano共振波长随矩形腔内待测介质折射率的变化关系，λ表示传感器件Fano共振波长，n为待测介质折射率。定义传感器器件的灵敏度S＝Δλ/Δn，其中Δλ为所述Fano共振波长的变化，Δn为待测介质折射率的变化。传感器器件的灵敏度S可达1240RIU/nm。
本发明是一种高灵敏折射率传感器件，相对于单个Fano共振的折射率传感器件，本发明通过采用两个Fano共振耦合的方式实现传感，有效地提高了折射率传感器的灵敏度，并且易于实施。
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之内。

Claims (6)

1.一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：包括金属-绝缘体-金属波导，波导内的金属隔板，以波导为中心，波导两侧分别设有一个矩形腔A和矩形腔B，矩形腔A平行于波导，矩形腔B垂直于波导，金属-绝缘体-金属波导的宽度为w，金属隔板的厚度为dm，矩形腔A的宽度和高度分别为L1、H1，矩形腔A到波导的距离为G1，矩形腔B的宽度和高度分别为L2、H2，矩形腔B到波导的距离为G2。
2.根据权利要求1所述的一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：所述金属-绝缘体-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属隔板中的金属相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：所述金属-绝缘体-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属隔板中的金属均为银。
4.根据权利要求1所述的一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：所述波导中的介质为空气。
5.根据权利要求1所述的一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：所述矩形腔A与矩形腔B中分别填充有待测介质，所述待测介质的折射率为n。
6.根据权利要求1所述的一种基于双Fano共振的折射率传感器，其特征在于：光波在波导芯中传输时会耦合进两侧的矩形腔A和矩形腔B，当满足共振条件时，形成Fano共振，在透射谱上出现相应的共振峰，改变两侧矩形腔A和矩形腔B内填充介质的折射率，会使Fano共振峰产生偏移。
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