CN113281301A - 一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种圆环‑矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其传感器由圆环‑矩形复合形成的谐振腔以及在侧面耦合具有金属壁的金属‑绝缘体‑金属(MIM)波导组成。当入射光在波导中传输并耦合到谐振腔时，当满足共振条件时，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。研究了该传感器的传输特性和传感特性，通过优化结构的几何参数，可以得到其最大的折射率灵敏度(S)为914nm/RIU。此外，在介质中填充乙醇，可实现高灵敏度的温度传感器，其最大灵敏度为0.35nm/℃。经研究该结构具有较高的灵敏度，在促进集成光子器件在纳米级光学传感方面具有潜在的应用前景。

Description

一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器
技术领域
本发明涉及纳米级传感器技术领域，具体是一种圆环-矩形谐振腔结构 的折射率、温度传感器。
背景技术
传感器是日常生活中用于检测装置的一种重要手段，其在化学分析， 生物监测等领域具有重要的应用。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。 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。基于MIM波导的Fano共振对周围的环境和结构参数变化异常敏 感，因此在设计传感器方面深受关注。
随着应用和技术需求，可以实现多次Fano共振并可同时获得高灵敏度 的折射率传感器和温度传感器变得至关重要。研究人员设计了大量基于MIM波 导的折射率传感器，包括M型腔，T型腔，环形腔，十字形腔等。另外，还研 究了基于光纤布拉格光栅传感器，基于Mach-Zehnder干涉仪结构的光学温度传 感器，基于封装微滴回音廊模式(WGM)谐振器的高灵敏度温度传感器等等。但 如何对多次Fano共振进行有效调节以及同时实现折射率传感和温度传感功能 的探讨却少见报道，因此本发明设计了一种带有金属壁的MIM波导的可调多 Fano共振的折射率和温度传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器， 其结构简单，便于制作。
为了达到上述目的，本发明提供一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、 温度传感器，通过以下技术方案来实现：
一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其传感器由输入波 导，输出波导和矩形-圆环复合形成的谐振腔组成，其中矩形-圆环复合形成的 谐振腔在输入波导和输出波导的一侧；当TM波入射到波导时，在金属表面产 生表面等离子激元(SPPs)，SPPs通过MIM波导耦合到谐振腔中，从而产生 线型尖锐的非对称Fano共振，调节该结构的几何参数和填充液体可以调谐Fano 共振峰和线型变化。
上述技术方案可采用如下优选方式：
为使该结构只允许传输TM波，将波导的宽度w设为50nm；所述的矩 形宽度为80nm～120nm；所述的矩形高度为230nm～270nm；所述的圆环外半 径为：200nm～240nm；带金属壁的MIM波导与矩形-圆环复合形成的谐振腔之 间的距离为：10nm～30nm；在所述的输入波导，输出波导和矩形-圆环复合形 成的谐振腔中填充液体材料实现折射率传感，其折射率范围为：1.33～1.43；在 在所述的输入波导，输出波导和矩形-圆环复合形成的谐振腔中填充乙醇材料 时，可以实现温度传感，环境温度范围为：-100℃～60℃。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)该传感器可以获得多次Fano共振，通过改变结构的几何参数，可 以实现Fano共振的多峰调谐和线型变化，可以有效提升纳米传感器的应用范围。
(2)在该结构中的输入波导，输出波导和矩形-圆环复合形成的谐振腔 中填充液体材料时，可以实现折射率传感，在其填充乙醇时，可以实现温度传 感，因此该结构可以同时实现折射率传感和温度传感。该传感器具有结构简单， 集成度高，便于加工，在生物化学传感方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器二维结构示意 图。
图2为改变带金属壁的MIM波导与矩形-圆环复合形成的谐振腔之间的 距离g(10nm、15nm、20nm、25nm、30nm)，得到的透射光谱曲线图。
图3为改变矩形宽度L(80nm、90nm、100nm、110nm、120nm)，得 到的透射光谱曲线图。
图4为改变矩形高度d(230nm、240nm、250nm、260nm、270nm)， 得到的透射光谱曲线图。
图5为改变圆环外半径R(200nm、210nm、220nm、230nm、240nm)， 得到的透射光谱曲线图。
图6为通过改变输入波导，输出波导和矩形-圆环复合形成的谐振腔中 的折射率n(1.33、1.35、1.37、1.39、1.41、1.43)，得到传感器的传输特性曲 线。
图7为折射率n(1.33、1.35、1.37、1.39、1.41、1.43)与共振波长的 线性曲线。
图8为在输入波导，输出波导和矩形-圆环复合形成的谐振腔中填充乙 醇，不同环境温度T(-100℃、-60℃、-20℃、20℃、60℃)下的透射光谱曲线。
图9为环境温度T与共振波长的线性曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步解释 说明，以下实施例仅对本发明进行说明并非对其加以限制。
如图1所示，一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，在金属 层(5)上刻蚀输入波导(1)，输出波导(2)和矩形(3)-圆环(4)复合形成 的谐振腔，其中矩形(3)-圆环(4)复合形成的谐振腔在输入波导和输出波导 的一侧，本实施例中金属层(5)为银材料。使光源在左端口入射，右端口输出， 求解偏微分方程，进行仿真计算。
如图2所示，在t＝20nm，R＝200nm，L＝100nm，d＝250nm保持不变下， 以5nm的步长使耦合距离g从10nm增加到30nm。由图可以看出，随着g的增 加，透射率有明显的下降趋势，同时共振波长有轻微的移动，这可能是因为耦 合区域的局部SPPs模的有效折射率的微扰所致的。
如图3所示，在t＝20nm，g＝10nm，R＝200nm，d＝250nm保持不变下， 矩形的宽度L以10nm的步长从80nm增加到100nm，由图可知，随着L的增加， 谐振腔的有效长度减小，FR1，FR2，FR3的谐振波长出现蓝移。
如图4所示，在t＝20nm，g＝10nm，R＝200nm，L＝100nm保持不变下， 矩形的高度d以10nm的步长从230nm增加到270nm。由图得出，随着d的增加， 谐振腔的有效长度增大，FR1，FR3的共振波长出现红移，FR2与变化与矩形d 无关，因此FR2共振波长基本不变。
如图5所示，t＝20nm，g＝10nm，L＝100nm，d＝250nm保持不变下，环形 谐振腔的外半径R以10nm的步长从190nm到230nm。可以从图中观察到，随 着R的增大，三个共振波长出现明显的红移，说明Fano共振峰主要由暗模式决 定的，R的增加导致窄带离散态的光谱中的共振波长增加，因此出现共振波长红 移的现象。
以上结果说明，通过改变该几个的几何参数可以有效调节多次Fano共 振峰。
下面研究该结构的Fano共振在传感特性方面的应用，首先是该结构的 折射率传感特性。
如图6所示，在其它参数保持不变的情况下，使介质的折射率n以0.02 的步长从1.33增加到1.43。可以看出，随着折射率的增加，三个Fano共振峰出 现明显的线性红移。
如图7所示，为不同折射率和共振波长之间的线性关系曲线图。基于此 关系曲线，根据灵敏度(S)公式：S＝dλ/dn(nm/RIU)表示为因介质折射率的变 化引起的共振波长的偏移。得到三个Fano共振的灵敏度分别为654nm/RIU， 722nm/RIU，914nm/RIU，可知灵敏度是评估传感特性的一个重要参数。
接下来，我们通过分析透射光谱来研究结构的温度传感特性。在结构的 介质中填充乙醇材料，因乙醇具有较高的折射率温度系数并且其折射率可以随温 度呈线性变化，所以用该结构可以实现纳米级的温度传感器乙醇的折射率可以定 义为：n＝n0-dn/dT(T-T0)其中T0表示室温为20℃，T为T0温度下的环境温度， n0为T0温度下的介质折射率，其值为n0＝1.36084，dn/dT表示为因环境温度的 变化引起乙醇折射率的变换，其值为dn/dT＝3.94×10-4。因为乙醇的熔点为 -114.3℃，沸点为78℃，因此环境温度T以步长为40℃从-100℃到60℃范围进 行分析。
如图8所示，为不同环境温度下的透射光谱，由图可知随着T的增加， 共振波长出现蓝移。因为由乙醇折射率公式可知，随着T的增大，乙醇折射率n 明显下降。
如图9所示，为环境温度T和共振波长之间的线性关系曲线图,其温度 传感器灵敏度可定义为：dλ/dT(nm/℃)，由图可以明显得出其线性关系，并且得 到三个Fano共振的温度灵敏度分别为0.25nm/℃，0.29nm/℃，0.35nm/℃。
以上所述实施方式仅仅是对本发明进行了具体说明，并非是限制于本发 明范围，在不脱离本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员对本发明的技 术方案做出各种等同的变形或改进，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：在金属层(5)上刻蚀输入波导(1)，输出波导(2)和矩形(3)-圆环(4)复合形成的谐振腔，其中矩形(3)-圆环(4)复合形成的谐振腔在输入波导和输出波导的一侧；
当TM波入射到波导时，在金属表面产生表面等离子激元(SPPs)，SPPs通过MIM波导耦合到谐振腔中，从而产生线型尖锐的非对称Fano共振，调节该结构的几何参数和填充液体可以调谐Fano共振峰和线型变化。
2.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：为使该结构只允许传输TM波，将波导的宽度w设为50nm。
3.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：谐振腔由矩形(3)-圆环(4)复合形成，改变矩形的长度和高度以及圆环外半径时，使Fano共振峰发生变化。
4.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：改变带金属壁的MIM波导与矩形-圆环复合形成的谐振腔之间的距离会使透射谱发生变化。
5.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：金属层(5)为银材料。
6.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：在输入波导(1)，输出波导(2)和矩形(3)-圆环(4)复合形成的谐振腔中填充液体材料，实现折射率传感，其折射率范围为1.33～1.43。
7.根据权利要求1所述一种圆环-矩形谐振腔结构的折射率、温度传感器，其特征在于：在在输入波导(1)，输出波导(2)和矩形(3)-圆环(4)复合形成的谐振腔中填充乙醇时，可以实现该结构的温度传感。
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