CN112858220A - 一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器 - Google Patents

一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器 Download PDF

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赵同刚
辛光雨
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Abstract

本发明揭示了一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano纳米折射率传感器，该传感器包括波导中心被金属挡板隔开的金属‑绝缘体‑金属波导，波导中心正上方放置的一个加齿直角三角形谐振腔，三个齿形腔与三角形腔相连且在x方向和y方向间距均相等。连接齿形腔的高为a，宽为w，直角三角形腔的两直角边分别为s和h，且与波导耦合距离为g，波导宽度为w，挡板宽度为d。光波进入波导传播形成表面等离激元，共振腔内模式相互耦合在结构透射谱图中形成三个fano共振。金属‑绝缘体‑金属波导结构对周围介质非常敏感，当填充介质折射率发生改变时，结构有效折射率发生改变从而使fano共振峰发生偏移，该结构可用于多fano共振折射率传感器中。

Description

一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传 感器
技术领域
本发明是一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器，主要涉及表面等离子体纳米传感器技术领域。
背景技术
随着纳米加工技术及光电集成产业的发展，纳米量级光学器件的研究设计已经成为一个非常重要的研究方向。因此，发展体积更小、性能优越的新型纳光子器件是当前国际前沿研究中的一个重要热点课题。表面等离激元(SPPs)是在入射光波的激发下，金属表面的自由电子发生集体震荡，在共振激发下能够形成极强的电场增强和局域效果。作为一门新兴学科，等离激元学主要研究被限制在光波长量级(或小于光波长)的电磁场的问题，是纳米光子学的主要组成部分。表面等离激元因为其能克服光的衍射极限，所以在设计金属纳米级光器件，实现高度集成光学电路方面具有较大优势。尤其是基于SPPs的金属-绝缘体- 金属(MIM)纳波导结构因为其有深亚波长领域限制和较低的弯曲损耗而被广泛应用于高度集成的光子电路。大量基于MIM的金属纳米波导结构被用于滤波器，分离器，传感器和波分复用器等方面。
Fano共振不同于洛伦兹线性，是一种尖锐的不对称线型，他们起源于独立态和连续带之间的相互干涉耦合。在MIM波导结构中通过刻蚀纳米结构共振腔可以有效地改变结构的有效折射率，由于纳米结构共振器与波导之间或者纳米结构共振器自身模式的耦合可以在结构透射谱中诱导产生Fano共振。Fano共振尖锐的不对称线性以及MIM波导结构对周围介质条件极其敏感的特性，可以将提出的结构应用于折射率传感器。相比于单Fano共振的MIM波导结构，多个Fano共振可以提供多检测点保证结果的准确性。因此，在MIM波导结构中诱导多Fano共振并将其应用到折射率传感器中已经成为当前研究的一个热点。
发明内容
本发明的目的是为解决现有问题，提出了一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器。
为达到此目的，本发明将以下述技术方案来实现：一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano纳米折射率传感器，该传感器包括波导中心被金属挡板隔开的金属-绝缘体-金属波导，波导中心正上方放置的一个加齿直角三角形谐振腔，三个齿形腔与三角形腔相连且在x方向和y方向间距均相等。连接齿形腔的高为a，宽为w，直角三角形腔的两直角边分别为s和h，且与波导耦合距离为g，波导宽度为w，挡板宽度为d。光波进入波导传播形成表面等离激元，共振腔内模式相互耦合在结构透射谱图中形成三个fano共振。
进一步地，结构中使用的所有贵金属材料均为银。
进一步地，加齿直角三角形谐振腔和波导内部填充有气体待检测介质，所述待测介质的折射率为n。
本发明技术主要表现优势在于：
(1)Fano共振具有尖锐的不对称线性，同时金属-绝缘体-金属波导结构对周围介质
条件极其敏感，通过改变填充的周围介质的折射率，Fano共振的共振峰会发生偏移从而可以用作折射率传感器。
(2)该结构可以诱导三个Fano共振，可以提供多个检测点。本发明是一种高灵敏度的传感器件，可以在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器结构的俯视图。
图2为本发明共振腔及波导内填充待检测物质折射率为1，1.05，1.1，1.15时，结构对应的透射谱图。
图3为本发明折射率传感器中三Fano共振的共振波长随待测物质介质折射率变化的关系图。
附图标记：1-金属挡板；2-金属-绝缘体-金属波导中金属部分；3-加齿直角三角形谐振腔；4-波导腔
具体实施方式
接下来通过附图和具体折射率传感器的检测实例对本发明的具体实施方案进行阐述，该实例仅是该技术发明的典型范例用于详细阐述此发明，但并不限定此发明。
图1展示了本发明基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器，该传感器包括金波导中心被金属挡板隔开的金属-绝缘体-金属波导，其中金属挡板宽度为d＝10nm，波导中心正上方放置的一个加齿直角三角形谐振腔，三个齿形腔与三角形腔相连且在x方向和y方向间距均相等。连接齿形腔的高为 a＝80nm，宽为w＝50nm，直角三角形腔的两直角边分别为s＝200nm和h＝300nm，且与波导耦合距离为 g＝10nm，波导宽度为w＝50nm。该结构中的金属使用的均是银，包括金属-绝缘体-金属中的金属和金属挡板结构，其相对介电常数通过Drude色散模型来获得，即：
Figure BDA0002892247940000021
其中ε∞＝3.7是无限角频率下的金属的介电常数，ωp＝9.1eV表示等离子体共振频率，γ＝0.018eV是振荡的阻尼频率，ω是入射光的角频率。
所述传感器结构中，加齿直角三角形谐振腔和金属-绝缘体-金属波导中的波导部分均填充有待测物质 (3，4)，该物质折射率为n。当光进入波导内传输时，部分光会耦合进加齿直角三角形谐振腔，满足一定的共振条件时会在该结构的透射谱中出现三个Fano共振，当改变加齿直角三角形谐振腔和波导中的填充介质时，Fano共振会发生偏移。
当加齿直角三角形谐振腔和金属-绝缘体-金属波导中的波导部分填充的介质折射率为1，1.05，1.1， 1.15时，结构对应的透射谱图如图2所示。Fano共振具有尖锐的不对称性便于检测，同时金属-绝缘体-金属波导结构对周围介质条件极其敏感，当填充待测物的折射率发生改变时，Fano共振的共振波长也会产生相应改变，因此可以通过共振波长的变化得到折射率的变化，完成待测物质折射率的传感检测。图2中的三个Fano共振分别叫做FR1，FR2，FR3，图中的红移现象验证了这一原理。
传感器件的灵敏度为S＝Δλ/Δn，其中Δλ为Fano共振波长的变化，Δn为介质折射率的变化。图3展示了折射率传感器Fano共振波长与不同折射率介质的关系，λ为Fano共振的共振波长，n为待测介质折射率。计算得到的该折射率传感器对应的三个共振峰灵敏度分别为S(FR1)＝460nm/RIU,S(FR2)＝580nm/RIU, S(FR3)＝910nm/RIU。
本发明中可以诱导三个Fano共振，可以提供多个检测点。本发明是一种高灵敏度的传感器件，可以在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。
以上实施方法仅为本发明中的其中一种具体实例，应当理解，其他等同变换或等效变换均在在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于加齿直角三角形谐振腔的多Fano共振纳米折射率传感器，其特征在于：包括波导中心被金属挡板隔开的金属-绝缘体-金属波导，波导中心正上方放置的一个加齿直角三角形谐振腔，三个齿形腔与三角形腔相连且在x方向和y方向间距均相等。连接齿形腔的高为a，宽为w，直角三角形腔的两直角边分别为s和h，且与波导耦合距离为g，波导宽度为w，挡板宽度为d。
2.根据权力要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于，所用贵金属材料均为银。
3.根据权力要求1所述的一种折射率传感器，其特征在于，加齿直角三角形谐振腔和波导内部填充有待检测介质，所述待测介质的折射率为n。
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