CN113295647A - 基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件及其制备方法 - Google Patents

基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹亚波长结构传感技术领域，提供了一种基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件及其制备方法。其中，基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件包括衬底和波导传感单元，波导传感单元设置在衬底上，波导传感单元包括波导、矩形谐振腔及金属墙，所述矩形谐振腔以垂直于波导的方向直接连接在波导一侧，所述金属墙设置在矩形谐振腔一侧设定距离处的波导介质中，所述金属墙的中心设有孔径；所述矩形谐振腔的方向与电场偏振方向保持平行，波导的输入端用于接收太赫兹波，以使得太赫兹波在传输过程中满足共振条件时，产生Fano共振。其采用金属‑介质‑金属波导耦合谐振腔结构实现了尖锐的Fano共振、高Q因子、高灵敏度的折射率传感应用。

Description

基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件及其制备方法
技术领域
本发明属于太赫兹亚波长结构传感技术领域，尤其涉及一种基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
金属-介质-金属(MDM)波导是实现纳米级器件的最有前途的器件，因为它具有对光的深度亚波长限制，损耗低，传播距离长，并且存在相对容易制造等优点。已经通过数值和实验证明了几种基于MDM波导的结构可以在太赫兹频段实现各种应用，例如滤波器、光学谐振器、传感器。目前，在太赫兹频段基于MDM波导的研究主要集中在滤波器方面，对于基于该结构实现传感功能的研究较少，主要原理是依靠波导与矩形腔的耦合作用在共振频率处产生一个透射谷，从而起到滤波或传感的作用。上述结构虽然结构简单，操作方面，但实现的Q因子不高，实现的灵敏度也有待提高，这阻碍了MDM波导在传感方面的广泛应用。
由于Fano共振所具有的独特的非对称的尖锐的线型，使得其在传感、开关、滤波、慢光等领域都有广泛的应用，而且当一个离散的窄带模态耦合到一个连续的宽带模态时，就会发生这种共振。Fano共振凭借着高Q因子以及对折射率变化的敏感性，被广泛应用在生物、化学材料的检测当中。
在太赫兹频段，人们对于基于超材料或超表面的周期阵列结构实现Fano共振的研究较为广泛，然而发明人发现，该结构的尺寸较大，不利于集成，而且制备工艺繁琐；另外在太赫兹频段，对于基于MDM波导耦合谐振腔的结构实现Fano共振的探讨甚少，将MDM波导以及谐振腔引入到太赫兹频段进行实现Fano共振的研究，对于减小器件尺寸、简化工艺制造过程、改善Q因子以及优化基于Fano共振的折射率传感器性能起着至关重要的作用。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其具有高的Q因子，稳定性好，灵敏度高，尺寸小，便于集成，在化学和生物领域的传感方面具有很好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其包括衬底和波导传感单元，所述波导传感单元设置在衬底上，所述波导传感单元包括波导、矩形谐振腔及金属墙，所述矩形谐振腔以垂直于波导的方向直接连接在波导一侧，所述金属墙设置在矩形谐振腔一侧设定距离处的波导介质中，所述金属墙的中心设有孔径；所述矩形谐振腔的方向与电场偏振方向保持平行，波导的输入端用于接收太赫兹波，以使得太赫兹波在传输过程中满足共振条件时，产生Fano共振。
作为一种实施方式，传输过程中的一部分太赫兹波与电场耦合进入矩形谐振腔中产生窄带离散模式，一部分太赫兹波经金属墙反射产生宽带连续模式，Fano共振是在上述两种模式相互作用下且满足共振条件时而产生的。
作为一种实施方式，所述波导中的介质区域以及矩形谐振腔中分别填充有设定折射率的待测介质。
作为一种实施方式，所述待测介质的折射率变化，Fano共振的频率点也随之出现频移。
作为一种实施方式，所述衬底为高阻硅衬底。
作为一种实施方式，所述波导传感单元为非周期结构耦合谐振腔的波导传感单元。
作为一种实施方式，所述波导为金属-介质-金属波导，所述金属-介质-金属波导的材质与金属墙的材质保持一致。
本发明的第二个方面提供一种如上述基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件的制备方法，其包括：
清洗衬底硅片；
在衬底硅片上旋涂光刻胶；
按所需图案及预先计算好的结构参数进行电子束曝光；
对电子束曝光后的光刻胶进行显影及定影；
刻蚀出缝隙波导及矩形谐振腔；
去掉多余部分的光刻胶，获得硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构；
在硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构外表面生长金膜，得到波导-矩形谐振腔-金属墙结构；
清洗波导-矩形谐振腔-金属墙结构，得到基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件。
作为一种实施方式，利用干法刻蚀刻蚀出缝隙波导及矩形谐振腔。
作为一种实施方式，采用分子束外延的方式生长金膜。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用金属-介质-金属波导耦合谐振腔结构实现尖锐的Fano共振，从而实现高Q因子、高灵敏度的折射率传感应用，与太赫兹超材料周期性阵列结构相比，不仅结构简单、制备方便、可靠性高、而且尺寸小，易于集成。
(2)本发明设计一种基于Fano共振的耦合谐振腔的太赫兹金属介质波导器件，通过优化结构参数，经过谐振腔产生的窄带离散模式与金属墙产生的宽带连续模式的相互作用，实现了具有高Q因子的Fano共振，同时在折射率传感应用中，具有超高的灵敏度以及相对高的品质因数(FOM)。
(3)本发明相较于其他太赫兹频段范围内实现的Fano共振，在1-7THz的范围内只存在一个尖锐的Fano共振，具有较大的自由光谱范围(FSR)，因此可以实现在宽的频带范围内对填充介质折射率变化的测量，同时解决了工作频段范围内Fano共振峰之间的相互干扰问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中太赫兹波导传感器件的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1中太赫兹波导传感器件二维结构示意图；
图3为本发明实施例3中太赫兹波导传感器件在1-7THz的输出曲线的模拟结果图；
图4(a)为本发明实施例4中太赫兹波导传感器件的传输曲线随参数a的变化；
图4(b)为本发明实施例4中太赫兹波导传感器件的Q因子随参数a的变化；
图4(c)为本发明实施例4中太赫兹波导传感器件的传输曲线随参数t的变化；
图4(d)为本发明实施例4中太赫兹波导传感器件的Q因子随参数t的变化；
图5为本发明实施例5中太赫兹波导传感器件的传输曲线随介质折射率的变化；
图6为本发明实施例5中太赫兹波导传感器件的灵敏度随介质折射率的变化。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其包括衬底1和波导传感单元，所述波导传感单元设置在衬底1上，所述波导传感单元包括波导2、矩形谐振腔3及金属墙4，所述矩形谐振腔3以垂直于波导2的方向直接连接在波导2一侧，所述金属墙4设置在矩形谐振腔3一侧设定距离处的波导介质中，所述金属墙的中心设有孔径；所述矩形谐振腔的方向与电场偏振方向保持平行，波导2的输入端用于接收太赫兹波，以使得太赫兹波在传输过程中满足共振条件时，产生Fano共振。
在具体实施中，传输过程中的一部分太赫兹波与电场耦合进入矩形谐振腔中产生窄带离散模式，一部分太赫兹波经金属墙反射产生宽带连续模式，Fano共振是在上述两种模式相互作用下且满足共振条件时而产生的。
其中，所述波导中的介质区域以及矩形谐振腔中分别填充有设定折射率的待测介质。
当所述待测介质的折射率变化时，Fano共振的频率点也随之出现频移。
在本实施例中，所述衬底为高阻硅衬底。所述波导传感单元为非周期结构耦合谐振腔的波导传感单元。所述波导为金属-介质-金属波导，所述金属-介质-金属波导的材质与金属墙的材质保持一致。
例如：金属-介质-金属波导中金属的材质为Au、Al、Ag、Pt或Cu中的任意一种，金属墙的材质与其保持一致。这几类金属的电导率和磁导率较高，趋肤深度更小，因而光在金属中的损耗就更小，有助于形成更窄带的选择性传输。
矩形谐振腔的长度L1为20μm，宽度L2为6-18μm。金属-介质-金属波导中的介质以及矩形腔中分别填充有折射率为n的待测介质，且波导中介质的宽度w为10-18μm。在距离矩形谐振腔一侧设定距离d处的波导介质中，存在一面中心有孔径大小为a的金属墙，其中距离d为25μm，a的范围为0.2-2μm，墙的厚度t为0.5-3.5μm。
可以理解的是，在其他的实施例中，矩形谐振腔的尺寸、波导中介质的宽度以及金属墙的相关尺寸，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。
实施例2
本实施例提供了一种如上述基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件的制备方法，其原理为：
清洗衬底硅片；
在衬底硅片上旋涂光刻胶；
按所需图案及预先计算好的结构参数进行电子束曝光；
对电子束曝光后的光刻胶进行显影及定影；
刻蚀出缝隙波导及矩形谐振腔；
去掉多余部分的光刻胶，获得硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构；
在硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构外表面生长金膜，得到波导-矩形谐振腔-金属墙结构；
清洗波导-矩形谐振腔-金属墙结构，得到基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件。
具体地，基于Fano共振的太赫兹传感器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)硅片清洗：将边长为120微米的方形硅片放入体积分数为50％的乙醇与去离子水混合溶液中，超声清洗15分钟，再用氮气吹干。
(2)旋涂光刻胶：利用机械旋涂法在高阻硅上旋涂一层光刻胶，光刻胶优选PMMA，旋涂速度选择先以450-550r/min的转速旋涂15-25s，然后以3900-4100r/min的转速旋涂55-65s，再以450-550r/min的转速旋涂15-25s；旋涂完毕后进行烘干。
(3)电子束曝光：待步骤(2)中的样品冷却后，按照结构所需图案进行电子束曝光，电子束加速电压优选3万伏。
(4)显影、定影：对步骤(3)的样品进行显影，显影液优选甲基异丁基酮。
(5)刻蚀：在步骤(4)所得样本基础上刻蚀出缝隙波导，矩形谐振腔，以及金属墙内存在的孔径。刻蚀方法优选干法刻蚀。
(6)去胶：将步骤(5)样品浸入到丙酮中，浸泡24小时，去掉多余部分的光刻胶，获得高阻硅材质的所述波导-谐振腔-硅墙结构。
(7)生长金膜：对步骤(6)所得样品的外表面生长一层厚度为1微米的金膜，为增强金膜与硅片之间的结合力，在生长金膜之前首先生长一层5纳米厚的镍薄膜作为粘接剂，生长速度优选5纳米每分钟，生长金膜优选采用分子束外延的方式，生长速度优选1微米每小时；生长完成后，可得到所述的MDM波导-谐振腔-金属墙结构。
(8)样品清洗：将步骤(7)样品浸入体积分数为50％的乙醇与去离子水混合溶液中，以60％的功率超声清洗15分钟，放入鼓风干燥箱中烘干，烘干温度优选50摄氏度，即可。
实施例3
基于Fano共振的耦合谐振腔的太赫兹金属介质波导器件的传输曲线测试：
太赫兹波沿波导方向从距离矩形谐振腔中心60μm处的输入端入射，在传输过程中，一部分会与谐振腔发生耦合进入谐振腔中，产生窄带离散模式，如图3中的曲线“只有矩形腔”所示；一部分会经过金属墙的反射作用反射回来，产生宽带连续模式，如图3中的曲线“只有金属墙”所示；在两种模式之间的相互作用下，当满足共振条件时，会在距离谐振腔中心60μm处的波导输出端检测到高透射、尖锐的Fano共振，如图3中的曲线“完整结构”所示。金属材料选用金，仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述，此时填充的介质为空气(εd＝1)。仿真结果表明当波导介质宽度设定为10μm，矩形谐振腔的宽度设定为10μm，金属墙的厚度设定为1μm，墙内的孔径大小为0.4μm时，该结构输出端测得的Fano峰值可达到95.364％@3.91THz。
实施例4
通过调节几何参数进行Fano共振的谐振频率以及传输峰值的仿真计算：
本实施例的仿真计算条件包括：将矩形谐振腔的宽度L2设为8μm，长度L1保持不变，波导介质宽度w设为18μm，金属墙的中心与矩形谐振腔的中心距离d保持不变，金属墙厚度t设为1μm，通过在0.2-2μm的范围内控制金属墙孔径a的大小进行Fano谐振频率的调谐，并记录Q值变化；参数L1，L2，w，d保持不变，金属墙孔径a设为0.2μm，通过在0.5-3.5μm的范围内控制金属墙厚度t的大小进行Fano谐振频率的调谐，并记录Q值变化。
该实施例中的太赫兹金属介质波导器件对其太赫兹波的传输曲线进行仿真计算。太赫兹波沿波导方向从波导的输入端入射，电场偏振方向与矩形腔的方向保持平行。仿真计算中采用Drude模型对金的介质折射率进行描述。改变金属墙孔径a的大小，得到的仿真传输曲线组如图4(a)所示，该太赫兹波导传感器件随着参数a的增大，谐振频率从3.109THz蓝移至3.308THz，传输峰值从0.57025增大至0.85349；Q因子随参数a的变化情况如图4(b)所示，随着孔径a的增大，Q因子逐渐减小。保持金属墙孔径a不变，改变金属墙厚度t，仿真得到的传输曲线组如图4(c)所示，该太赫兹波导传感器件随着参数t的增加，共振峰值从0.629减小至0.298，谐振频率保持在3.1THz附近；Q因子随参数t的变化情况如图4(d)所示，随着厚度t的增大，Q因子先增大后减小，在t＝2.5μm时，Q达到最大值225。
实施例5
为说明填充介质的折射率变化对波导传输曲线的影响，将结构参数设置为取得最大Q值时的尺寸大小，数值分别为L2＝8μm，L1＝20μm，w＝18μm，d＝25μm，t＝2.5μm，a＝0.2μm，在此参数值下，将介质折射率以0.1的差值从1.0变化到2.0观察谐振频率的变化情况，选取这个范围的原因是，生物分子或者化学样品的折射率大多数都分布在这个范围之内，传输曲线随折射率变化结果如图5所示。仿真结果显示，随着介质折射率的变大，Fano共振的谐振频率发生红移，而且透射峰值有轻微的下降。这是因为波导中介质的有效折射率变大了，有效折射率的变化会引起传输过程中的损耗以及反射的变化，随着有效折射率变大，损耗以及反射都有轻微幅度的增大，所以导致透射峰值的下降。
灵敏度S是描述传感器性能好坏的重要指标，灵敏度S的计算公式定义为
Figure BDA0003064814860000111
(nm/RIU)，其中Δλ表示谐振波长的偏移量，Δn表示介质折射率的变化量。
设n＝1.0为参考折射率，图6显示了发生Fano共振的谐振波长与不同介质折射率的关系，其中，黑点表示仿真值，黑色直线表示拟合结果，从拟合结果可以看到谐振波长与折射率变化保持良好的线性关系，从而得出该太赫兹传感器件的灵敏度为S＝9.647x104nm/RIU，通过使用公式
Figure BDA0003064814860000112
转换成谐振频率随折射率变化的灵敏度(THz/RIU)，其中c是光速，f0是谐振频率，可得到灵敏度S＝1.56THz/RIU。Δf表示频率变化量。
另外，品质因数FOM也是评估传感器性能的重要指标。将FOM定义为
Figure BDA0003064814860000113
其中FWHM表示传输曲线中的半高全宽。当介质折射率n＝1.0时，FWHM＝0.493μm，所以此时的FOM＝96.47/0.493＝192。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，包括衬底和波导传感单元，所述波导传感单元设置在衬底上，所述波导传感单元包括波导、矩形谐振腔及金属墙，所述矩形谐振腔以垂直于波导的方向直接连接在波导一侧，所述金属墙设置在矩形谐振腔一侧设定距离处的波导介质中，所述金属墙的中心设有孔径；所述矩形谐振腔的方向与电场偏振方向保持平行，波导的输入端用于接收太赫兹波，以使得太赫兹波在传输过程中满足共振条件时，产生Fano共振。
2.如权利要求1所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，传输过程中的一部分太赫兹波与电场耦合进入矩形谐振腔中产生窄带离散模式，一部分太赫兹波经金属墙反射产生宽带连续模式，Fano共振是在上述两种模式相互作用下且满足共振条件时而产生的。
3.如权利要求1所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，所述波导中的介质区域以及矩形谐振腔中分别填充有设定折射率的待测介质。
4.如权利要求3所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，所述待测介质的折射率变化，Fano共振的频率点也随之出现频移。
5.如权利要求1所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，所述衬底为高阻硅衬底。
6.如权利要求1所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，所述波导传感单元为非周期结构耦合谐振腔的波导传感单元。
7.如权利要求1所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件，其特征在于，所述波导为金属-介质-金属波导，所述金属-介质-金属波导的材质与金属墙的材质保持一致。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件的制备方法，其特征在于，包括：
清洗衬底硅片；
在衬底硅片上旋涂光刻胶；
按所需图案及预先计算好的结构参数进行电子束曝光；
对电子束曝光后的光刻胶进行显影及定影；
刻蚀出缝隙波导及矩形谐振腔；
去掉多余部分的光刻胶，获得硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构；
在硅材质的波导-矩形谐振腔-硅墙结构外表面生长金膜，得到波导-矩形谐振腔-金属墙结构；
清洗波导-矩形谐振腔-金属墙结构，得到基于Fano共振耦合谐振腔太赫兹波导传感器件。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，利用干法刻蚀刻蚀出缝隙波导及矩形谐振腔。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用分子束外延的方式生长金膜。
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