CN112881339A - 基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器 - Google Patents

基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔，所述的第一谐振腔和第二谐振腔中均填充待测溶液，所述的直波导中填充空气。当入射光波长是第一谐振腔的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导耦合到第一谐振腔，然后耦合进入第二谐振腔，再耦合进入第一谐振腔，再耦合进入直波导并输出，第一和第二谐振腔为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导结合金属挡板为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振。本发明结构简单、响应快，减小了器件的体积，实现小型化、高集成度的微纳光学传感器。

Description

基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器
技术领域
本发明涉及光学器件的技术领域，具体涉及一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器。
背景技术
随着现代信息技术的飞速发展，对光学器件的小型化、高集成化提出了更高、更严格的要求，在更小的尺度上实现光子器件的集成化已成为当今的研究热点之一，然而，由于光学衍射极限的存在，传统的光学器件的发展遇到了瓶颈。
表面等离子激元(SPPs)是入射电磁波与自由电子在金属-介质界面耦合时产生的一种特殊的光学现象，能够突破传统光学衍射极限，为纳米光子器件的发展带来新的契机。Fano共振由窄带的离散态和宽带的连续态干涉形成，相比传统的洛伦兹共振，Fano共振呈现尖锐且不对称的共振线型，对结构参数及周围环境异常敏感，因此，Fano共振在生物传感、全光开关、滤波器、慢光传输、电磁诱导透明等方面均得到了广泛的应用，已经成为纳米光子学的研究热点。传统的光学溶液浓度传感器存在着结构复杂、体积大、响应慢等问题，且无法突破传统的光学衍射极限，因此，不能实现波长尺度或小于波长尺度的光波传输和操控，限制了传感器的小型化和集成化。
发明内容
基于现有技术的不足之处，本发明提供一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，用于测量折射率与浓度成线性关系的溶液的浓度，克服了传统光学溶液浓度传感器结构复杂、响应慢的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔，所述的第一谐振腔和第二谐振腔中均填充待测溶液，所述的直波导中填充空气，金属层位于基底层上部，直波导、第一谐振腔和第二谐振腔分别安装于金属层内，入射光从直波导左侧的光入射端入射，从直波导右侧的光出射端出射，入射光为红外波段光，第一谐振腔为一个平行于直波导的矩形腔，第二谐振腔为开口向右侧的半圆环型腔，第一谐振腔位于第二谐振腔和直波导的之间，金属挡板位于直波导的几何中心位置，金属挡板的几何中心、第一谐振腔的几何中心、第二谐振腔的圆心位于同一条直线上，该直线与直波导垂直；当入射光波长是第一谐振腔的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导耦合到第一谐振腔，然后耦合进入第二谐振腔，再由第二谐振腔耦合进入第一谐振腔，最后由第一谐振腔耦合进入直波导、并由直波导输出，第一谐振腔、第二谐振腔为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导结合金属挡板为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振，在红外波段产生两个Fano共振，当待测溶液的浓度变化时，会改变待测溶液的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，用光谱仪测量任一Fano共振的波长的移动量，就能够依据待测溶液的折射率与待测溶液的浓度间的线性关系，得到待测溶液浓度的变化量。
本发明还具有如下技术特征：
1、金属挡板的长度为50nm；第一谐振腔的长度为250nm-300nm；第二谐振腔的外径为250nm-300nm；直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔的宽度均为50nm；直波导与第一谐振腔的间隔距离为10nm，第一谐振腔与第二谐振腔的间隔距离为10nm；基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔的厚度均相等。
2、所述的基底层为二氧化硅。
3、所述的金属层和金属挡板均为银。
本发明的优点及有益效果：本发明结构简单、响应快，有效地减小了器件的体积，可实现小型化、高集成度的微纳光学传感器，利用激发的表面等离子激元，能够突破传统的光学衍射极限，从而实现亚波长尺度的光波传输，同时，本发明能够产生Fano共振，用于检测溶液浓度，具有高传感灵敏度，最大灵敏度为1562.5nm/RIU，可实现生物、光学、医学领域的纳米级传感。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2是当第二谐振腔6的外径D为280nm，第一谐振腔5沿x轴方向的长度L由250nm变化至300nm、且L每变化10nm时，本发明的透射谱；
图3是当第一谐振腔5沿x轴方向的长度L为270nm，第二谐振腔6的外径D由250nm变化至300nm、且D每变化10nm时，本发明的透射谱；
图4是当第一谐振腔5沿x轴方向的长度L为270nm，第二谐振腔6的外径D为280nm，待测溶液的折射率n由1.00变化至1.08、且n每变化0.02时，本发明的透射谱。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层1、金属层2、直波导3、金属挡板4、第一谐振腔5和第二谐振腔6，其特征在于，所述的第一谐振腔5和第二谐振腔6中均填充待测溶液，所述的直波导3中填充空气，金属层2位于基底层1上部，直波导3、第一谐振腔5和第二谐振腔6分别安装于金属层2内，入射光从直波导3左侧的光入射端入射，从直波导3右侧的光出射端出射，入射光为红外波段光，第一谐振腔5为一个平行于直波导3的矩形腔，第二谐振腔6为开口向右侧的半圆环型腔，第一谐振腔5位于第二谐振腔6和直波导3的之间，金属挡板4位于直波导3的几何中心位置，金属挡板4的几何中心、第一谐振腔5的几何中心、第二谐振腔6的圆心位于同一条直线上，该直线与直波导3垂直；当入射光波长是第一谐振腔5的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导3耦合到第一谐振腔5，然后耦合进入第二谐振腔6，再由第二谐振腔6耦合进入第一谐振腔5，最后由第一谐振腔5耦合进入直波导3、并由直波导3输出，第一谐振腔5、第二谐振腔6为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导3结合金属挡板4为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振，在红外波段产生两个Fano共振，当待测溶液的浓度变化时，会改变待测溶液的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，用光谱仪测量任一Fano共振的波长的移动量，就能够依据待测溶液的折射率与待测溶液的浓度间的线性关系，得到待测溶液浓度的变化量。
以传感器的长度为x轴，宽度为y轴，厚度为z轴，x轴、y轴、z轴构成直角坐标系，直波导3沿y轴方向的宽度、金属挡板4沿y轴方向的宽度、第一谐振腔5沿y轴方向的宽度和第二谐振腔6的宽度均为50nm；直波导3与第一谐振腔5间沿y轴方向的距离为10nm，第一谐振腔5与第二谐振腔6间沿y轴方向的距离为10nm；基底层1沿z轴方向的厚度、金属层2沿z轴方向的厚度、直波导3沿z轴方向的厚度、金属挡板4沿z轴方向的厚度、第一谐振腔5沿z轴方向的厚度和第二谐振腔6沿z轴方向的厚度均相等；基底层1为二氧化硅；金属层2和金属挡板4均为银；
工作原理：本实施例用于测量折射率与浓度成线性关系的溶液的浓度；入射光为红外波段光；入射光从直波导3左侧的光入射端入射，从直波导3右侧的光出射端出射；本实施例的结构为典型的金属-介质-金属(MIM)波导结构，金属材料为银，可激发表面等离子激元(SPPs)，由于直波导3沿y轴方向的宽度、金属挡板4沿y轴方向的宽度、第一谐振腔5沿y轴方向的宽度和第二谐振腔6的宽度均为50nm，因此，本实施例中只有表面等离子激元(SPPs)的TM0基模才能传输；
当入射光波长是第一谐振腔5的共振波长时，可激发表面等离子激元(SPPs)，表面等离子激元(SPPs)由直波导3耦合到第一谐振腔5，然后耦合进入第二谐振腔6，再由第二谐振腔6耦合进入第一谐振腔5，最后由第一谐振腔5耦合进入直波导3、并由直波导3输出；当入射光波长不是第一谐振腔5的共振波长时，无法激发表面等离子激元(SPPs)；
第一谐振腔5、第二谐振腔6为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导3结合金属挡板4为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振，在红外波段产生两个Fano共振，其中，波长较短的Fano共振称为第一Fano共振，波长较长的Fano共振称为第二Fano共振；
由于第一谐振腔5、第二谐振腔6为产生Fano共振提供窄带的离散态，因此，第一谐振腔5和第二谐振腔6的尺寸影响Fano共振的波长；第一谐振腔5沿x轴方向的长度决定第一Fano共振的波长，而不影响第二Fano共振的波长；第二谐振腔6的外径决定第二Fano共振的波长，而不影响第一Fano共振的波长；例如，图2所示，当第二谐振腔6的外径D为280nm，第一谐振腔5沿x轴方向的长度L由250nm变化至300nm、且L每变化10nm时，第一Fano共振的波长由880nm变化至1020nm，而第二Fano共振的波长没有变化；图3所示，当第一谐振腔5沿x轴方向的长度L为270nm，第二谐振腔6的外径D由250nm变化至300nm、且D每变化10nm时，第二Fano共振的波长由1415nm变化至1630nm，而第一Fano共振的波长没有变化；
第一谐振腔5和第二谐振腔6中均填充待测溶液，待测溶液的折射率与待测溶液的浓度成线性关系，当待测溶液的浓度变化时，会改变待测溶液的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，例如，图4所示，当第一谐振腔5沿x轴方向的长度L为270nm，第二谐振腔6的外径D为280nm，待测溶液的折射率n由1.00变化至1.08、且n每变化0.02时，第一Fano共振的波长由940nm变化至1010nm，第二Fano共振的波长由1540nm变化至1665nm；因此，本实施例通过外接一台光谱仪测量任一Fano共振(第一Fano共振或第二Fano共振)的波长的移动量，就可依据待测溶液的折射率与待测溶液的浓度间的线性关系，得到待测溶液浓度的变化量。

Claims (5)

1.一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层(1)、金属层(2)、直波导(3)、金属挡板(4)、第一谐振腔(5)和第二谐振腔(6)，其特征在于，所述的第一谐振腔(5)和第二谐振腔(6)中均填充待测溶液，所述的直波导(3)中填充空气，金属层(2)位于基底层(1)上部，直波导(3)、第一谐振腔(5)和第二谐振腔(6)分别安装于金属层(2)内，入射光从直波导(3)左侧的光入射端入射，从直波导(3)右侧的光出射端出射，入射光为红外波段光，第一谐振腔(5)为一个平行于直波导(3)的矩形腔，第二谐振腔(6)为开口向右侧的半圆环型腔，第一谐振腔(5)位于第二谐振腔(6)和直波导(3)的之间，金属挡板(4)位于直波导(3)的几何中心位置，金属挡板(4)的几何中心、第一谐振腔(5)的几何中心、第二谐振腔(6)的圆心位于同一条直线上，该直线与直波导(3)垂直；当入射光波长是第一谐振腔(5)的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导(3)耦合到第一谐振腔(5)，然后耦合进入第二谐振腔(6)，再由第二谐振腔(6)耦合进入第一谐振腔(5)，最后由第一谐振腔(5)耦合进入直波导(3)、并由直波导(3)输出，第一谐振腔(5)、第二谐振腔(6)为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导(3)结合金属挡板(4)为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振，在红外波段产生两个Fano共振，当待测溶液的浓度变化时，会改变待测溶液的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，用光谱仪测量任一Fano共振的波长的移动量，就能够依据待测溶液的折射率与待测溶液的浓度间的线性关系，得到待测溶液浓度的变化量。
2.根据权利要求1所述的一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，其特征在于：所述的金属挡板(4)的长度为50nm；第一谐振腔(5)的长度为250nm-300nm；第二谐振腔(6)的外径为250nm-300nm；直波导(3)、金属挡板(4)、第一谐振腔(5)和第二谐振腔(6)的宽度均为50nm；直波导(3)与第一谐振腔(5)的间隔距离为10nm，第一谐振腔(5)与第二谐振腔(6)的间隔距离为10nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，其特征在于：所述的基底层(1)、金属层(2)、直波导(3)、金属挡板(4)、第一谐振腔(5)和第二谐振腔(6)的厚度均相等。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，其特征在于：所述的基底层(1)为二氧化硅。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，其特征在于：所述的金属层(2)和金属挡板(4)均为银。
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