CN112098366B - 一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，该传感器由一个大的倒U型谐振腔内嵌一个小的倒U型谐振腔和金属平板组成的金属‑电介质‑金属(MIM)波导结构。当光波在波导中传输时耦合到两个大小不同的倒U型谐振腔，满足共振条件时，可以产生Fano共振，在透射谱上出现三个尖锐非对称的共振峰。Fano共振对结构参数的变化异常敏感，因此通过调节U型谐振器的r1，r3，h1，h2和填充介质的折射率来控制Fano共振峰的线形和谐振波长。本发明在红外波段可以获得较高的灵敏度和品质因数(FOM)，分别为2275nm/RIU，25540。该发明在光学集成电路、光电子器件，特别是微纳生物化学传感器等领域有着广阔的应用前景。

Description

一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器
(一)技术领域
本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器。
(二)背景技术
表面等离子激元(SPPs)发生在金属-电介质界面上，其MIM结构具有高约束、低损耗、传输长度长、易于制造等优点，在高密度集成光子电路中具有非常重要的应用价值。基于表面等离子体激元MIM结构波导受到越来越多的关注，已经研究了大量的器件，例如光学传感器，开关，滤波器和慢光器件等。此外，在金属微纳米结构中，Fano共振是由宽连续态和窄离散态的散射干涉引起的，可以产生尖锐的，不对称的透射谱，对结构参数和周围的环境极为敏感。通过利用这些特性，可以获得较高的灵敏度和品质因数(FOM)，由于Fano共振具有增强生物化学传感光谱，因此，它在生物化学传感器中显示出良好的应用前景。
本发明提出由一个大的倒U型谐振腔内嵌一个小的倒U型谐振腔和金属平板组成的金属-电介质-金属(MIM)波导结构，当光在带有金属平板的波导中传播时，它形成一个宽的连续态能带，该能带被反射到两个大小不同的U型腔体中产生了三个尖锐非对称的Fano谐振峰。用有限元方法(FEM)模拟了该结构的传输特性。仿真结果显示可以通过改变倒U型谐振器的结构参数和介质的折射率来实现透射谱的改变，从而实现透射峰的可控调节，最后，通过对结构参数的优化，获得了较高的灵敏度和品质因数(FOM)。就目前一些文献设计的结构而言，其传输特性的指标，灵敏度和品质因数(FOM)都没有达到较高的值，因此本发明具有一定的优势。该结构在高集成光电子器件，特别是在红外波段的纳米生物传感器中具有广泛的潜在应用前景。
(三)发明内容
本发明公开了一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，可以获得较高的灵敏度和品质因数(FOM)。
为了达到上述结果，本发明通过以下方式实现的：
一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，传感器由一个大的倒U型谐振腔内嵌一个小的倒U型谐振腔和金属平板组成的金属-电介质-金属(MIM)波导结构。当光波在波导中传输时耦合到两个大小不同的倒U型谐振腔，满足共振条件时，可以产生Fano共振，在透射谱上出现三个尖锐非对称的共振峰。波导的宽度w固定为50nm，a为输入输出端口的波导之间的耦合距离，固定为15nm，g为两个大小不同的倒U型谐振腔和波导之间的耦合距离，固定为10nm，两个大小不同的倒U型谐振腔弯曲部分的内外半径分别r1，r2，r3，r4，U两个大小不同的倒U型谐振腔的垂直臂的长度分别为h1，h2。
上述技术方案可采用如下优选方式：
所述的金属平板上两个波导之间的耦合距离a＝15nm，所述的两个大小不同的倒U形谐振腔弯曲部分的内外半径分别为：r1＝55nm～75nm，r2＝r1+w，r3＝150nm～165nm，r4＝r3+w，所述的两个大小不同的倒U形谐振腔的垂直臂的长度分别为h1，h2分别为250nm～270nm，150nm～165nm，所述的空气层的折射率为：1.0～1.16。
研究发现，此结构相比较于其它单一的波导而言，出现了三个明显的透射峰，当改变两个大小不同的倒U型谐振器的结构参数和折射率时，可以实现透射峰的可控调节，并且通过优选的方式，可以获得比较高的灵敏度和品质因数(FOM)。
在本发明中提出的等离子体波导结构具有灵敏度高，品质因数高，谐振模式可控等优点，在纳米传感器的设计方向有很好的应用前景。
(四)附图说明
图1为一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器的结构示意图。
图2为本发明两个大小不同的倒U形谐振腔弯曲部分的内外半径的透射光谱曲线图，(a)图为不同r1的透射光谱曲线，(b)图为不同r3的透射光谱曲线。
图3为本发明两个大小不同的倒U形谐振腔的垂直臂的长度的透射光谱曲线图，(a)图为不同h1的透射光谱曲线，(b)为不同h2的透射光谱曲线。
图4(a)为本发明不同折射率的透射光谱，(b)为折射率与共振波长关系的曲线图。
图5为本发明波长与品质因数(FOM)的关系曲线图。
(五)具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图举例对本发明作进一步解释说明：
如图1所示，一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，由一个大的倒U型谐振腔内嵌一个小的倒U型谐振腔和金属平板组成的金属-电介质-金属(MIM)波导结构，并在谐振腔中填充空气。
所需的结构参数为：输入输出端口的波导宽度为w，两个波导之间耦合的距离为a，两个大小不同的倒U型谐振腔和波导之间的耦合距离为g，两个大小不同的倒U形谐振腔弯曲部分的内外半径分别r1，r2，r3，r4，两个大小不同的倒U形谐振腔的垂直臂的长度分别为h1，h2，其中w和g，a分别固定为50nm，10nm，15nm。
为了研究结构的光学性质，透射光谱通过COMSOL Multiphysics软件中具有散射边界条件的有限元法进行数值研究，模拟中采用超细化的任意三角形进行网格剖分。在仿真中，使面光源从入射端口自左向右平行入射，在输出端口检测输出。透射系数T定义为：T＝Pout/Pin其中Pin和Pout分别是输入和输出端口的功率。
空气中的相对介电常数为εd＝1，金属银的相对介电常数与入射光的频率有关，可以根据Drude模型获得：
Figure GDA0003680438480000031
式(1)中，ε∞为表示金属在频率趋于无穷大时的相对介电常数；w为真空中入射光波的角频率；wp为等离子体震荡的固有频率；γ是金属中自由电子的碰撞衰减频率，ε∞＝3.7，wp＝9.1eV。
在Fano共振中，灵敏度(S)和品质因数(FOM)是评价性能的两个重要参数，通常定义为：
Figure GDA0003680438480000032
Figure GDA0003680438480000033
式(3)中T是系统的透射率，ΔT/Δn表示由n的变化引起的恒定波长下的透射率的化。对于Fano共振，透射谱具有很强的不对称性，并且从共振峰到共振谷有很大的变化，因此可以获得较高的FOM。
图2为本发明两个大小不同的倒U形谐振腔弯曲部分的内外半径的透射光谱曲线图，(a)图为不同r1的透射光谱曲线，(b)图为不同r3的透射光谱曲线。图中横坐标表示为入射波长，纵坐标为光出射透射率(透射系数)。(a)图中w＝50nm，g＝10nm，a＝15nm，h1＝250nm，h2＝270nm，r3＝160nm，r4＝210nm保持不变，图(a)中5种不同的透射光谱曲线分别是不同的r1依次为55nm，60nm，65nm，70nm，75nm时模拟得出的结果。从图(a)中结果可见，随着r1的增大，第二个透射峰(FR2)透射率降低，第一个和第三透射峰(FR1，FR3)产生近似线性的红移，并且透射率也逐渐降低。(b)图中w＝50nm，g＝10nm，a＝15nm，h1＝250nm，h2＝270nm，r1＝60nm，r2＝110nm保持不变，图中(b)4种不同的透射光谱曲线分别是不同的r3依次为150nm，155nm，160nm，165nm时模拟得出的结果。从图(b)中结果可见FR1和FR3保持不变，FR2和的位置具有近似线性的红移，并且FR2的透射率逐渐降低。此现象表明了通过改变r1，r3可以有效地调节透射谱的共振位置及透射峰的高低。
图3为本发明两个大小不同的倒U形谐振腔的垂直臂的长度的透射光谱曲线图，(a)图为不同h1的透射光谱曲线，(b)为不同h2的透射光谱曲线。图中横坐标和纵坐标表示和图2一致，(a)图中w＝50nm，g＝10nm，a＝15nm，r1＝60nm，r2＝110nm，r3＝160nm，r4＝210nm，h2＝270nm保持不变，图(a)5种不同的透射光谱曲线分别是不同的h1依次为250nm，255nm，260nm，265nm，270nm时模拟得出的结果。从图(a)中结果可见FR2保持不变，FR1和FR3的位置具有近似线性的红移，并且FR1，FR3的透射率逐渐降低。(b)图中w＝50nm，g＝10nm，a＝15nm，r1＝60nm，r2＝110nm，r3＝160nm，r4＝210nm，h1＝250nm保持不变，图中(b)5种不同的透射光谱曲线分别是不同的h2依次为255nm，260nm，265nm，270nm，275nm时模拟得出的结果。从图(b)中结果FR1和FR3保持不变，FR2和的位置具有近似线性的红移，并且FR2的透射率逐渐降低。此现象表明了通过改变h1，h2可以有效地调节透射谱的共振位置及透射峰的高低。
图4(a)为本发明介质中不同折射率的透射光谱，(b)为折射率与共振波长关系的曲线图。图中w＝50nm，g＝10nm，a＝15nm，r1＝60nm，r2＝110nm，r3＝160nm，r4＝210nm，h1＝250nm，h2＝270nm保持不变，(a)图中为不同折射率从1.00～1.16，间隔为0.04。从图中结果可见，FR1，FR2，FR3具有红移特性。可以从图(b)中折射率与共振波长的关系曲线中计算出该结构的的灵敏度，在FR1、FR2和FR3分别为1100nm/RIU、1600nm/RIU和2275nm/RIU。
图5为本发明波长与品质因数(FOM)的关系曲线图，从图中结果可见，显示了不同波长下计算的FOM，得出该结构大约在λ＝1198nm处，最高品质因数(FOM)可达到25540。

Claims (3)

1.一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，该传感器由一个大的倒U型谐振腔内嵌一个小的倒U型谐振腔和金属平板组成的金属-电介质-金属(MIM)波导组成，其中波导由输入端波导和输出端波导两部分组成，输入端波导和输出端波导在一条直线上，中间通过金属板隔开，输入端波导和输出端波导之间的耦合距离为a＝15nm；大的倒U型谐振腔和小的倒U型谐振腔的左侧两底端对应于输入端的波导，右侧的两底端对应于输出端的波导，双U型谐振腔的四个底端与波导之间通过金属板隔开，且双U型谐振腔的四个底端到波导的距离均为g＝10nm，大的倒U型谐振腔和小的倒U型谐振腔的半圆形顶端的圆心重合；U型谐振腔和波导的宽均为w＝50nm；当光波在波导中传输时耦合到两个大小不同的倒U型谐振腔，满足共振条件时，可以产生Fano共振，在透射谱上出现三个尖锐非对称的共振峰，Fano共振对结构参数的变化敏感，因此通过调节小的倒U型谐振腔的内半径r1、大的倒U型谐振腔的内半径r3、小的倒U型谐振腔垂直臂的高度h1、大的倒U型谐振腔垂直臂的高度h2和填充介质的折射率来控制Fano共振峰的线形和谐振波长。
2.根据权利要求1所述的一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，其特征在于：金属平板选用银作为材料。
3.根据权利要求1所述的一种实现三个Fano共振的内嵌双U型折射率传感器，其特征在于：在两个大小不同的倒U型谐振腔中填充空气。
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