CN113483792A - 可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，该传感器由输入输出的波导，矩形腔和椭圆环形谐振腔组成，其中波导的宽度为w，矩形谐振腔与输入输出波导之间的耦合距离为g，矩形谐振腔的宽度和高度分别为q和h，矩形谐振腔和椭圆环形谐振腔的耦合距离为g1，椭圆环形谐振器的外椭圆长轴长度和短轴长度为A1，B1，内部椭圆长轴长度和短轴长度为a1，b1。光波在波导中传输时，通过矩形腔与椭圆环形谐振腔的耦合，产生Fano共振，改变结构中的几何参数和介质的折射率后，使Fano共振谱线偏移。本发明可以实现从可见光到近红外波段的双通道调控，并且可以获得较高的灵敏度和品质因数(FOM),计算的灵敏度和品质因数最高为1075nm/RIU和91914。该发明提供的结构易与其他光子器件集成，研究结果可以为这种结构的未来应用提供指导。
Description
(一)技术领域
本发明涉及微纳集成光电子技术领域，具体是指可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器。
(二)背景技术
表面等离子体激元(SPP)是金属表面光子和电子之间耦合产生的电荷密度波。它们的场在垂直于金属-电介质界面的方向呈指数衰减。因此，SPP克服了光波的衍射极限，使它们适用于纳米级光子器件。因此，SPP构成了一个新的课题，在相关领域，如生物传感，SPP光刻，以及光学和超高分辨率成像引起了相当大的关注。
在SPP波导中，与谐振器耦合的金属-绝缘体-金属(MIM)波导蓬勃发展，引起了研究人员的兴趣，因为它们可以很容易地在芯片规模上集成。最近，随着在等离子体波导结构中发现Fano共振，在许多领域，例如物理学、化学、生物学以及能源和信息技术，在基于Fano共振的传感器中使用等离子体结构变得越来越重要。因此，许多基于Fano共振的光子器件被设计成传感器，通过利用窄暗模式和宽亮模式之间的耦合效应，已经用于等离子体传感器。
本发明提出了由椭圆环形谐振腔和矩形谐振腔耦合的MIM波导组成的结构，从直波导左端入射的光将激发MIM波导中的表面等离子体激元，并与矩形和椭圆环形谐振腔耦合，矩形谐振腔激发宽谱共振模式，椭圆环谐振腔共振窄谱共振模式，两个谐振腔的不同谐振模式之间的耦合形成了Fano谐振。通过使用有限元法(FEM)模拟了该结构的传输特性，仿真结果显示在可见光波段和近红外波段各发现了一个共振峰，并且可以通过改变矩形谐振腔、椭圆环形谐振腔的结构参数和介质的折射率来实现透射谱的改变，从而实现对两个透射峰的可控调节。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)。
(三)发明内容
本发明公开了可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，可以获得较高的灵敏度和品质因数(FOM)。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，传感器由矩形和椭圆环形谐振腔耦合的金属-电介质-金属(MIM)波导组成的结构。当光在直波导中传播，并且跟矩形与椭圆环形谐振腔耦合，当满足共振条件时，产生Fano共振，在透射谱表现出两个尖锐的非对称的共振峰。波导的宽度w固定为50nm，g为输入输出波导与矩形腔的耦合距离，固定为10nm，矩形腔和椭圆环形谐振腔的耦合距离为g1，矩形腔的宽度和高度分别为q、h，椭圆环形谐振腔的外部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为A1、B1,内部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为a1、 b1。
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和矩形腔的耦合距离g＝10nm；所述的矩形腔的宽度q为20nm～80nm，高度h为80nm～160nm；所述的矩形腔和椭圆环形谐振器的耦合距离g1为8nm～12nm；所述的椭圆环形谐振腔的外部椭圆的长轴长度 A1为260nm～300nm，短轴长度B1为80nm～100nm；所述的椭圆环形谐振腔的内部椭圆的长轴长度a1为60nm～100nm,短轴长度b1为30nm～70nm；所述的空气层的折射率n为1.00～1.08。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
研究发现，本发明设计的结构相较于其它的波导结构而言，可以实现可见光到近红外光波段的双通道调控，通过改变椭圆环形谐振器和矩形谐振器的结构参数和空气层的折射率时，可以实现透射峰的可控调节，通过优选的方式，可以获得比较高的灵敏度和品质因数(FOM)。
本发明中提出的等离子体波导结构具有可见光到近红外波段的双通道调控，灵敏度高和品质因数高等优点，在纳米传感器的设计方向有很好的的应用前景。
(四)附图说明
图1为可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器的结构示意图。
图2为本发明的透射光谱曲线图。
图3为本发明的不同矩形腔的高度和宽度对共振峰影响的光谱曲线图。图(a)为不同宽度q的透射光谱曲线，图(b)为不同高度h的透射光谱曲线。
图4为本发明的矩形腔和椭圆环形谐振腔之间耦合的距离g1对共振峰影响的光谱曲线图。
图5为本发明改变椭圆环形谐振腔的外部椭圆和内部椭圆的长轴和短轴长度的透射光谱曲线图。图(a)为外部椭圆长轴长度A1对共振峰影响的透射光谱曲线图，图(b)为外部椭圆短轴长度B1对共振峰影响的透射光谱曲线图，图(c)为内部椭圆长轴长度a1对共振峰影响的透射光谱曲线图，图(c)为内部椭圆短轴长度b1对共振峰影响的透射光谱曲线图。
图6为本发明在空气层填充折射率时，折射率传感器的传感特性。
(五)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，可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，在金属银上刻蚀输入输出的波导，矩形谐振腔，椭圆环形谐振腔，其中矩形谐振腔放置在输入输出波导的中间，椭圆环形谐振腔耦合矩形谐振腔位于矩形腔的上方，在输入输出波导、矩形谐振腔和椭圆环形谐振腔中填充空气。
所需的结构参数为：输入输出端口的波导宽度为w，矩形谐振腔与输入输出波导的耦合距离为g，矩形谐振器的宽度和高度分别为q、h，外部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为A1、B1,内部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为a1、 b1，其中w和g的长度分别固定为50nm、10nm。
为了研究结构的光学性质，采用完全匹配层(PML)吸收边界条件的有限元方法研究透射光谱和折射率传感特性。使光源在结构左侧端口入射，右侧端口输出，在右侧端口中检测输出。透射系数T定义为：T＝Pout/Pin，其中Pout和 Pin分别为输出和输入端口的功率。
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：
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；ω为真空中入射光波的角频率；ωp为等离子体震荡的固有频率；Υ是金属中自由电子的碰撞衰减频率，ε∞＝3.7，ωp＝9.1eV，Υ＝0.018eV。
透射波长可以根据驻波理论推导如下：
其中，Re(neff)是MIM波导中一个波长的有效折射率的实部，可由(3)式推导出， L表示矩形腔或椭圆环形谐振腔的周长，ψr是腔一端反射光束的相移。
在传感器中，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：
其中T是系统的透射率，ΔT/Δn表示由折射率的变化引起恒定波长下的透射率的变化。对于Fano共振，透射谱具有很强的不对称性，并且从波峰到波谷有很大的变化，因此可以获得较高的FOM值。
图2为本发明的透射光谱图，图中横坐标表示为入射光波长，纵坐标为光出射透射率(透射系数)。结构参数设置为w＝50nm，q＝50nm，h＝100nm， g＝g1＝10nm，A1＝300nm，B1＝140nm，a1＝150nm，b1＝70nm，如图所示，看到在可见光波段(728nm)和近红外波段(1028nm)处，透射谱出现了两个尖锐的非对称Fano共振峰(记为FR1，FR2)。
图3为本发明矩形腔的不同宽度和高度对透射光谱的影响，图中横坐标和纵坐标的表示与图2一致，w＝50nm，h＝100nm，g＝g1＝10nm，A1＝300nm， B1＝140nm，a1＝150nm，b1＝70nm保持不变，当q从20nm到80nm进行参数化扫描，扫描间隔为40nm时，其透射光谱如图(a)所示，可以看到随着矩形腔宽度的增大，透射光谱红移。透射波长可以由驻波理论来得出，当增加矩形腔的宽度时，L也会增加，透射波长相应的也增加。w＝50nm，q＝50nm，g＝g1＝10nm，A1＝300nm，B1＝140nm，a1＝150nm，b1＝70nm保持不变，当h从80nm到160nm 进行参数化扫描，扫描间隔为40nm时，其透射谱如图(b)所示，透射光谱显示透射率随h的增加而显著降低。
图4为本发明矩形腔和椭圆环形谐振腔的耦合距离g1对共振峰影响的透射光谱图，图中横坐标和纵坐标表示与图2一致。w＝50nm，q＝50nm，h＝100nm， g＝10nm，A1＝300nm，B1＝140nm，a1＝150nm，b1＝70nm保持不变，当g1从8nm 到12nm进行参数化扫描，其透射光谱如图4所示，随着耦合距离g1的增大，其透射率明显下降，这可以用随着耦合距离的增大，其耦合强度减弱来表示。
图5为本发明椭圆环形谐振器的结构参数对共振峰影响的透射光谱曲线图，w＝50nm，q＝50nm，h＝100nm，g＝g1＝10nm，B1＝140nm，a1＝150nm，b1＝70nm 保持不变，当A1从260nm到300nm进行参数化扫描时，其透射光谱如图(a)所示，FR1共振峰呈现红移现象，FR2共振峰呈现蓝移现象。w＝50nm，q＝50nm， h＝100nm，g＝g3＝10nm，A1＝300nm，a1＝150nm，b1＝70nm保持不变，当B1从 130nm到150nm进行参数化扫描时，其透射光谱如图(b)所示，FR1共振峰呈现蓝移现象，FR2呈现红移现象。w＝50nm，q＝50nm，h＝100nm，g＝g1＝10nm， A1＝300nm，B1＝140nm，b1＝70nm保持不变，当a1从130nm到170nm进行参数化扫描时，其透射光谱如图(c)所示，FR1和FR2均表现出红移现象。w＝50nm， q＝50nm，h＝100nm，g＝g1＝10nm，A1＝300nm，B1＝140nm，a1＝150nm保持不变，当b1从50nm到90nm进行参数化扫描时，FR1和FR2均表现出红移现象。
图6为本发明在空气层填充折射率以0.04为间隔从1.00到1.08时，折射率传感器的传感特性，图中可以得出，随着折射率n的增大，共振波长出现红移和透射率下降的现象，根据(4)式可以获得FR1，FR2的灵敏度分别为：700nm/RIU 和1075nm/RIU。根据(5)式，计算得出最大的品质因数(FOM)为91914。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (9)
1.可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：在金属层(3)上刻蚀输入波导(1)、输出波导(2)、矩形谐振腔(4)和椭圆环形谐振腔(5)，其中输入波导(1)和输出波导(2)的宽度为w，固定为50nm，矩形谐振器(4)在输入波导(1)和输出波导(2)的中间，耦合距离为g，固定为10nm，椭圆环形谐振腔(5)与矩形谐振腔(4)之间的耦合距离为g1，矩形谐振腔(4)的宽度和高度分别为q、h，椭圆环形谐振腔(5)的外部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为A1、B1，内部椭圆的长轴长度和短轴长度分别为a1、b1。
2.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：结构中的金属层(3)为银材料。
3.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：矩形谐振腔(4)的宽度q介于20nm～80nm。
4.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：矩形谐振腔(4)的高度h介于80nm～160nm。
5.根据1权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：在输入波导(1)，输出波导(2)，矩形谐振腔(4)和椭圆环形谐振腔(5)中填充空气，其折射率n介于1.00～1.08。
6.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：椭圆环形谐振腔(5)的外部椭圆的长轴长度A1介于160nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：椭圆环形谐振腔(5)的外部椭圆的短轴长度B1介于80nm～100nm。
8.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：椭圆环形谐振腔(5)的内部椭圆的长轴长度a1介于60nm～100nm。
9.根据权利要求1所述的可见光到近红外双波段内嵌椭圆谐振腔传感器，其特征在于：椭圆环形谐振腔(5)的内部椭圆的长轴长度b1介于30nm～70nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211008 |