CN114034663A - 一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器，它的超表面结构由对称性破缺的硅纳米孔阵列周期性排布而成，即首先将一层硅薄膜沉积到二氧化硅基底上，然后依次经过曝光、显影和电感耦合等离子体(ICP)等工艺蚀刻出顶层超表面结构。圆形纳米孔的半径分别为d0和d1，纳米孔之间的中心距离为l0都相等。本发明使用高折射率的介电材料避免了金属材料引起的欧姆损耗，具有低损耗、高Q值、高FOM值、器件与CMOS工艺兼容的特点。可实现高性能、小型化和高集成度光子器件。
Description
技术领域
本发明是一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器。该传感器可用于微纳光子学领域(如光学开发、高灵敏度传感器和低阈值半导体激光器)及光学技术集成化生产领域。
背景技术
传统的光学器件通过光的反射、衍射、吸收、折射等特性来操控光，由于其较大的体积不利于器件的小型化和高集成度。随着微纳加工技术及光电集成产业的发展，通过紧凑型微纳光学器件来实现折射率传感已经成为光电检测领域的热点。超表面结构是微纳光学器件的研究领域的前沿分支，高品质因子(Q)的超表面结构传感器有利于实现低阈值激光器、高灵敏度传感器和快速响应的光学开关等。
Fano共振是一种特殊的物理现象，当对称型的洛伦兹共振谱在两个及以上的独立共振模式耦合时会转换为Fano共振，其共振谱呈非对称分布。Fano共振广泛存在于微纳光子器件中，其在光开关、光传感、纳米激光、非线性光学和慢光等领域有巨大的应用前景。在金属微纳结构中实现的Fano共振，由于金、银等金属材料中自由电子振荡导致了很强的辐射损耗，从而使得Fano峰的谱线较宽。较低的品质因子且与成熟的CMOS工艺不兼容等特点限制了其在微纳光子学中的应用。而高折射率的锗、硅和砷化镓等全介质微纳器件可以解决金属结构存在的问题。与金属等离子体结构相比较，全介质结构基于米氏共振原理，其损耗较小，能够实现超高的品质因子和极大的局域场增强；且光场主要束缚在器件内部，有利于增强材料内部光与物质的相互作用；器件与CMOS工艺兼容，制造成本低，有望实现高性能、小型化和高集成度光子器件。
连续域中的束缚态(bound states in the continuum,BIC)指的是在光锥以上的辐射连续域内存在着不向外辐射的束缚态。BIC有多种不同的类型，其中一种是对称保护(symmetry-protected)BIC,出现于垂直入射时的Γ点。它的产生是由于模式的空间对称性与外辐射波的空间对称性不匹配，所以模式无法向外辐射耦合，在光谱中表现为无限高Q因子且零线宽的Fano共振态。通过打破微纳光学器件中结构对称性的方法，如斜入射或在结构中引入对称性破缺，来构建与外界的辐射通道，从而使得BIC模式转换为可辐射且具有高Q值的准BIC模式，在光谱中表现为超高Q因子且有限线宽的尖锐Fano共振。我们可以结合BIC理论来解释非对称结构激发的高Q值Fano共振，通过合理的在结构中引入对称破缺性，再结合非对称参数和增加耦合的研究方法，最终在透射谱图中产生多个尖锐的高性能Fano共振，进而实现高性能的多通道共振折射率传感器。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有金属微纳结构中存在的上述问题，并且结合BIC理论激发出高Q值的Fano峰，提出了一种基于全介质超表面的三Fano共振折射率传感器及其简要制造工艺流程。超表面结构使用硅材料代替金属材料，从而实现高品质因数(FOM)的折射率传感性能。
本发明将通过以下技术方案得以实现：一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器，其特征在于：首先将一层硅薄膜沉积到二氧化硅基底上，然后依次经过曝光、显影和电感耦合等离子体(ICP)等工艺蚀刻出顶层超表面结构，顶层超表面由对称性破缺的硅纳米孔阵列周期性排布而成。关于y轴两侧的圆形纳米孔的半径分别用d0和d1表示，沿x轴和y轴的纳米孔之间的中心距离为l0。硅板的长度和宽度为l1，每个单元的结构参数周期为x。根据对称保护BIC的原理，当打破结构对称性，将在原来一个Fano峰的基础上产生两个新的Fano峰，不对称度(d0-d1)将影响第一个和第三个Fano峰的传感性能。进一步地，纳米孔内部和阵列间隙都填充有低折射率的待检测介质，所述待测介质的折射率为n。
本发明具体的传感器制造步骤如下：
步骤1：通过使用低压化学气相沉积(LPCVD)方法，可以将硅薄膜沉积在二氧化硅基底。
步骤2：使用ZEP520A光刻胶均匀旋涂到硅平面上并烘烤。
步骤3：采用电子束曝光(EBL)和显影，光刻胶中曝光的区域位置与全介质超表面单元中的纳米孔和阵列间隙区域位置完全对应。
步骤4：通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻后可以得到纳米孔阵列。
步骤5：去除光刻胶，用去离子水清洗即可得到所述传感器。
全介质超表面结构基于米氏共振原理，当使用一个沿z轴传播的y偏振平面波垂直入射到全介质超表面上，其光场主要束缚在器件内部，有利于增强器件内部光与物质的相互作用，在透射光谱中出现三个尖锐的Fano共振响应。
本发明提供了一种检测环境折射率的应用。通过测量入射平面波穿过超表面结构的透射光谱中谐振波长随环境折射率的变化量，计算该折射率传感器的灵敏度。如将折射率传感器放置在待测环境中，谐振波长随着环境折射率的改变而改变，通过计算谐振波长的变化判断外界环境折射率的变化。同时，透射谱线中共生成三个Fano共振峰，可以提供多个检测点。
本发明技术的主要优势是：本发明产生的多Fano共振具有尖锐的不对称线性。全介质超表面结构基于米氏共振原理，其损耗较小，能够实现超高的品质因子和极大的局域场增强，且易于实现，检测成本较低，器件与CMOS工艺兼容,有望实现高性能、小型化和高集成度光子器件。本发明具有高透射深度、低损耗、高Q值和高FOM的特点，可以在生物传感、食品安全、生物传感、即时检测、环境监测等领域发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明中基于全介质超表面的三Fano共振折射率传感器的三维示意图。
图2为本发明中基于全介质超表面的三Fano共振折射率传感器的俯视图。
图3为本发明中超表面阵列单元以固定周期放置在二氧化硅基底上的示意图。
图4为本发明的制造工艺流程图。
图5为对称结构(d0＝d1＝60nm)和非对称结构(d0＝65nm)入射平面波的透射谱。
图6为折射率传感透射图。
图7为传感器的灵敏度变化示意图。
图5～7中wavelength为入射光波长，Transmittance为透射谱，Δn为折射率变化量，Δλ为谐振波长的变化量。
附图标记：1—二氧化硅基底、2.1—包含硅纳米孔的平板、2.2—第一种圆孔、2.3—第二种圆孔、3—光刻胶、4—曝光的区域。
具体实施方式
以下结合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，本发明保护范围包括但不限于该实例。
本发明提出的一种基于全介质超表面结构的三Fano共振微纳折射率传感器，如图1和2所示:首先将一层硅薄膜沉积在二氧化硅基底1上，然后通过曝光、显影和电感耦合等离子体(ICP)等工艺蚀刻出顶层硅超表面结构，超表面由对称性破缺的硅纳米孔阵列2.1周期性排布而成，如图3所示。在y轴两侧的圆形纳米孔2.2和2.3的边长分别用d0和d1表示，沿x轴和y轴的纳米孔之间的中心距离为l0。硅板的长度和宽度为l1，每个单元结构的周期为x。进一步地，纳米孔内部和阵列间隙都填充有低折射率的待检测介质，所述待测介质的折射率为n。
一种上述传感器的制造方法，如图4所示，其步骤如下：
步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物。
步骤2：通过使用低压化学气相沉积(LPCVD)方法，可以将硅薄膜沉积在二氧化硅基底。
步骤3：使用ZEP520A光刻胶均匀旋涂到硅平面上并放入烘箱烘烤2～4分钟,使光刻胶充分干燥。
步骤4：采用电子束曝光(EBL)和显影操作，光刻胶中曝光的区域位置与全介质超表面单元中的纳米孔和阵列间隙区域位置完全对应,然后采用定影操作用于清洗残留的显影液；
步骤5：通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻后可以得到纳米孔阵列。
步骤6：去除光刻胶，用去离子水清洗即可得到所述传感器。
本发明基于硅平板-二氧化硅基底组成,具有易实现、尺寸小、器件易集成的特点,有望实现高性能、小型化和高集成度光子器件。采用高折射率的全介质材料能够避免金属材料引起的欧姆损耗,有利于实现超高的品质因子Q和极大的局域场增强,同时可将检测波长范围扩展至近红外波段。
上述技术方案中，硅超表面由多个单元周期性排列而成,每个单元结构的周期x的取值范围为600～900nm，硅板的长度和宽度均为l1，设置其取值范围为500～900nm是为了使谐振波长处于红外波段。超表面的厚度为h,且取值范围为50～300nm，二氧化硅基底的厚度无要求。圆形纳米孔的半径分别用d0和d1表示,d0的取值范围为10～120nm,d1的取值范围为40～100nm。使用时域有限差分方法进行仿真计算，x方向和y方向设置为周期边界条件，z方向设置为完美匹配层。使用一个沿z轴传播的y偏振平面波垂直入射到全介质单元结构上，平面波与超表面介质相互作用，在透射谱上能获得三个窄线宽的Fano透射峰,透射谱的波长范围为1000～1300nm，如图5所示。当结构具有全对称性，即d0＝d1时,只存在一个Fano峰,在图5中为模式II；当打破结构对称性，即d0≠d1时,会产生两个新的Fano峰,如图5中的模式I和模式III。根据对称保护BIC的原理，不对称度(d0-d1)将影响光谱中模式I和模式III的传感性能。同时，本发明所设计的微纳器件受工艺容差的影响。
上述技术方案中，因为当对称性受到结构破缺的干扰时，辐射连续体与非辐射束缚态相互作用并发生泄漏。这种相互作用的对称性与自由空间偏振的对称性相匹配，补偿了BIC模式与入射偏振的空间对称性失配，允许BIC模式在入射光的偏振激发下向外辐射，最终激发高Q值的Fano共振。破缺面积和未破缺的硅板面积之比为非对称参量α，则Q与α的关系如下：
所以，准BIC态的Q值与α服从二次方反比关系，非对称量α越小，Q值越高。在d0＝d1＝60nm时，辐射Q因子趋向于无穷大，这表明存在两个对称保护BIC模式。我们对全对称纳米孔阵列引入对称性破缺，在d0＝65nm时，这两个BIC模式转变为两个可辐射且具有高Q值的准BIC模式。通过微纳结构支持的离散束缚态和来自自由空间的连续辐射之间的干扰，形成了两个明显的Fano共振(模式I和模式III)，并有轻微的波长移动。我们通过使用经典的Fano公式来拟合模式I和III的透射谱线。
品质因数Q＝ω0/2γ，计算得到的模式I和模式III的Q值分别为38263，25330，极高的Q值将带来极窄的线宽。
上述技术方案中，改变位于介质超表面结构周围物质的折射率，同时改变超表面结构中纳米孔内部(2.2,2.3)和阵列间隙的介质折射率为n，使用时域有限差分方法进行仿真计算入射平面波的透射谱响应。当超表面结构中纳米孔内部和阵列间隙中填充的介质折射率分别为1.31，1.32，1.33，1.34，1.35时，各共振波长发生明显的位移。图6中展示了折射率传感器透射光谱波长与不同环境折射率的关系，当周围介质的折射率逐渐增大时，共振波长逐渐发生红移。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。
该折射率传感器的灵敏度定义为单位折射率引起的共振波长变化量，即S＝Δλ/Δn，其中Δλ为Fano共振波长的变化量，Δn为介质折射率的变化量。图7中展示了三个共振波长与不同折射率介质的关系，图中黑块代表的是每个折射率对应的共振波长位置，直线为线性拟合结果，直线的斜率即为传感器灵敏度的值。计算得到的该折射率传感器对应的三个共振灵敏度分别为S(ModeI)＝320nm/RIU,S(ModeII)＝166nm/RIU,S(ModeIII)＝160nm/RIU。传感器的品质因数(figure of merit)为FOM＝S/Δλ，计算得到的该折射率传感器对应的三个共振峰FOM分别为16000RIU，53RIU，2000RIU。
综上所述，通过仿真实验验证了本发明提出的全介质超表面折射率传感器的具体实施案例，其可以诱导三个高性能的Fano共振以提供多个检测点。通过引入对称保护BIC激发两个高性能的Fano共振具有超高的品质因数(FOM)，本发明可用于高FOM折射率的传感检测，具有成本低、结构简单、实时监测、无需标定等特点，满足了液体、气体、生物分子检测等实际应用中的测量需要，具有十分广阔的应用前景。
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。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器，其特征在于：首先将一层硅薄膜沉积在二氧化硅基底(1)上，然后通过曝光、显影和电感耦合等离子体(ICP)等工艺蚀刻出顶层硅超表面结构，超表面由对称性破缺的硅纳米孔阵列(2.1)周期性排布而成。关于y轴两侧的圆形纳米孔(2.2)和(2.3)的半径分别用d0和d1表示，为确保对称破缺性需要令d0≠d1。四个纳米孔之间的中心距离为l0且均相等。
2.根据权利要求1所述的微纳折射率传感器，其特征在于：硅超表面中每个单元结构的周期x的取值范围为600～900nm。硅板的长度和宽度均为l1且取值范围为500～900nm。超表面的厚度为h且取值范围为50～300nm，二氧化硅基底的厚度不做硬性要求。圆形纳米孔的边长分别用d0和d1表示，d0的取值范围为10～120nm，d1的取值范围为40～100nm。
3.根据权利要求1所述的微纳折射率传感器，其特征在于：所述透明二氧化硅基底(1)的折射率范围为1.41～1.46。
4.根据权利要求2所述的微纳折射率传感器，其特征在于：当入射光照射到超表面单元阵列上时，电磁波与单元阵列相互作用，在透射谱上出现三个窄线宽的Fano共振峰，传感器的工作波长在1000～1300nm。
5.一种权利要求1所述传感器的制造方法，其特征在于，它具体的制造步骤如下：
步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物。
步骤2：通过使用低压化学气相沉积(LPCVD)方法，可以将硅薄膜沉积在二氧化硅基底。
步骤3：使用ZEP520A光刻胶均匀旋涂到硅平面上并放入烘箱烘烤2～4分钟,使光刻胶充分干燥。
步骤4：采用电子束曝光(EBL)和显影操作，光刻胶中曝光的区域位置与全介质超表面单元中的纳米孔和阵列间隙区域位置完全对应,然后采用定影操作用于清洗残留的显影液。
步骤5：通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻后可以得到纳米孔阵列。
步骤6：去除光刻胶，用去离子水清洗即可得到所述传感器。
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| CN202111310903.6A CN114034663A (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器 |
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| CN114034663A true CN114034663A (zh) | 2022-02-11 |
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ID=80136605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202111310903.6A Pending CN114034663A (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于全介质超表面的三Fano共振微纳折射率传感器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114545538A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-05-27 | 南开大学 | 光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法 |
| CN116642612A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-25 | 之江实验室 | 传感器及其制备方法、机械手和机器人 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2021
- 2021-11-05 CN CN202111310903.6A patent/CN114034663A/zh active Pending
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| CN116642612B (zh) * | 2023-07-27 | 2024-01-09 | 之江实验室 | 传感器及其制备方法、机械手和机器人 |
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