CN114354539A - 基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，传感器以金属铜板作为基底，在基底上蚀刻出Fano谐振器结构；Fano谐振器结构包括环状槽、设置在环状槽一侧的沟槽以及位于环状槽和沟槽之间的直通型主通道；主通道连通环状槽和沟槽，主通道穿出基底的两端；环状槽与主通道相切，沟槽正对环状槽与主通道相切的部分，且与主通道垂直；其中沟槽提供的是连续态，环状槽提供的是离散态，传感介质通过主通道进入传感器；基底上环状槽内部为蚀刻形成的铜圆柱体结构，铜圆柱体的外部依次设置有液晶内环和隔离环；基底结构的上下表面均封装有隔离层，在隔离层外部覆盖铜金属极板，用于在隔离层上向基底施加偏置电压。

Description

基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器

技术领域

本发明涉及谐振器设计领域，具体涉及一种基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器。

背景技术

生物化学传感技术作为生命科学大学科背景下的重要方向，一直是研究的热点。目前，生物分子的检测技术以传统的分析方法即化学法为主，常常包括了一系列繁琐的操作过程，而且周期较长，远不能适应实际需求。20世纪末，科学家就开始了对专一性强、灵敏度高、操作简便的传感检测技术的研究。近年来得益于生命科学、分析化学、物理学和信息学等领域的交叉发展，基于微纳米结构的生物传感器的研究成为众多学者关注的热点。

Fano Resonance(FR)概念起源于量子物理领域，于1961年被意大利裔美国科学家Ugo Fano提出。处于离散激发态的电子和具有相同能级的连续态发生量子干涉时，会产生非对称的谐振谱型，也就是以Fano命名的FR。后来，FR概念由量子物理领域引入到经典光学领域，引起了各国科学家的关注和探索。在经典光学中，连续的背景散射光和离散的谐振散射光相消干涉会产生非对称的Fano谐振谱型。在谐振点附近，相位和幅度的急剧变化使得FR在慢光与快光，光开关，生物化学传感，非线性光学等领域具有广阔的应用前景。为此，科学家们在光子晶体，半导体系统，等离子微结构，光学微腔等各种物理结构上展开了大量研究，力求以简单的结构稳定的激发出FR谱型，并应用到相关领域。后来自从Fedorov等人首次在非对称分裂环阵列组成的超材料(mm)中观察到Fano谐振，近年来，超材料和等离子体纳米结构中的Fano谐振特性引起了人们的极大兴趣。Fano谐振在生物和化学传感器、有源等离子体开关和慢光场方面有许多潜在的应用。其中，传感成为太赫兹、红外和光学频率Fano谐振最关键的应用，由于其窄的线宽和高质量因子，这对于提高传感器的灵敏度是非常理想，在过去的很长一段时间中，由于缺乏有效的太赫兹源和高灵敏度的探测器，这一频段一度被称为“太赫兹空白”。近年来，随着纳米科学领域和光电子学的不断发展与革新，新型的太赫兹源和传感器不断出现，以及太赫兹技术在安检、成像、物质鉴定等方面具有巨大的潜力，关于太赫兹的相关研究也得到重视，这种微米级的传感器可以在保持高质量检测的同时，极大的扩展了工作频段和传感范围。

目前最新的Fano谐振器研究中出现了采用石墨烯或者黑磷加载的Fano谐振结构，使其初步具有可调的Fano谐振特性，构造出工作频带更宽的谐振器，并且采用的是传统的传感器结构。其中石墨烯或者黑磷需要通过改变其电子的掺杂浓度来调节其介电参数；但这种谐振器的调制深度较小，调制频率范围较窄，不如基于液晶的器件，同时其采用的传统的结构，对于介质变化细微的环境不够敏感，可能会出现检测不到变化的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，相比于现有技术具有更高灵敏度的特性，对于检测介质变化细微的环境能发挥很好的作用。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，所述传感器以金属铜板作为基底，在基底上蚀刻出Fano谐振器结构；所述Fano谐振器结构包括环状槽、设置在环状槽一侧的沟槽以及位于环状槽和沟槽之间的直通型主通道；所述主通道连通环状槽和沟槽，主通道穿出基底的两端；环状槽与主通道相切，所述沟槽正对环状槽与主通道相切的部分，且与主通道垂直；其中沟槽提供的是连续态，环状槽提供的是离散态，传感介质通过主通道进入传感器；

所述基底上环状槽内部为蚀刻形成的铜圆柱体结构，铜圆柱体的外部依次设置有液晶内环和隔离环；

所述基底结构的上下表面均封装有隔离层，在隔离层外部覆盖铜金属极板，用于在隔离层上向基底施加偏置电压。

进一步地，所述铜圆柱体的半径r_i2为10μm～16μm，铜圆柱体圆心到液晶内环边缘的半径r_o2为14μm～20μm；所述圆心到隔离环边缘的半径r_i1为14.5μm～20.5μm；所述圆心到环状槽外圈的半径r_o1为15.5μm～21.5μm。

进一步地，所述主通道、沟槽均为长方体结构。

进一步地，所述主通道的横截面的高度w_m为3μm,沟槽的深度h_g为34μm，槽宽w_g为10μm。

进一步地，在基底结构的上下表面的隔离层与基底接触的部分自旋涂覆聚酰亚胺薄膜层对隔离层与基底接触的表面多次摩擦，使液晶分子的取向在隔离层密封的环状槽的上、下表面沿着x轴方向对齐；其中x轴方向为主通道的长度方向。

进一步地，所述隔离环、隔离层采用二氧化硅隔离环和二氧化硅隔离层。

进一步地，所述Fano谐振器的谐振频率与腔体的长度遵循以下关系：

其中f_FP,m表示m阶谐振频率，L表示环状槽外圈的周长，m表示谐振阶数，

表示电磁波经过环状槽、主通道与沟槽交接处时候的相位补偿，n_r表示的环状槽腔体内介质的折射率，c表示自由空间中的光速。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.本发明所设计的Fano谐振器是基于液晶材料的Fano谐振器，该结构具有高灵敏度的特性，对于周围介质环境变化时，具有很强的感应能力，从而使得本发明所设计的传感器在具备了可调谐的特性的同时还具有超高灵敏度特性，很适合用于周围介质变化细微的环境，可以仅用一个传感器就可以在多种环境下完成检测工作。

2.该传感器结构还采用了直通结构，这种结构更便于感应介质进入传感器中。

3.通过在器件两端放置铜金属极板，在上面施加偏置电压(外电场、外磁场、温度场等外界条件，并结合相应的装置进行施加)，从而改变液晶材料分子的取向，进而改变液晶材料层的折射率，实现工作频带和传感范围可调。

4.本发明采用了Fano谐振结构，利用环所提供的离散模态和凹槽所提供的连续模态相互作用产生Fano谐振，这种结构具有高灵敏度的特性，对于检测周围介质变化细微的环境能发挥很好的作用。

附图说明

图1为本发明传感器中基底部分的平面结构示意图；

图2的(a)、(b)、(c)为本发明的结构分解立体、右视、前视示意图；

图3的(a)是不同外圈半径r_o1下的Fano谐振器的透射率；(b)是不同深度的沟槽h_g下的Fano谐振器的透射率；

图4的(a)是不同偏置电压和传感介质折射率下的Fano谐振器的谐振频率；(b)是1.61THZ的一阶谐振的近场分布；(c)是2.69THZ的二阶谐振的近场分布；(d)是不同偏置电压下的一阶谐振频率的变化；(e)是是不同偏置电压下的二阶谐振频率的变化。

图中标号说明：1基底，2环状槽，3主通道，4沟槽，5铜圆柱体，6液晶内环，7隔离环，8隔离层，9铜金属极板。

具体实施方式

本发明的目的在于设计一种工作频段和传感范围可调的传感器，采用了Fano谐振结构，Fano谐振结构具有高灵敏度的特性，对于检测介质变化细微的环境能发挥很好的作用，同时采用的液晶材料，将其填充进Fano谐振器中，采用铜金属极板作为器件两端的电极板，用于给液晶材料施加偏置电场；利用液晶材料在不同电压下会显现出不同的折射率的特性，通过对液晶分子施加偏置电压来控制液晶分子的取向，进而改变液晶材料的折射率，进而实现可调谐的Fano谐振器，最终实现工作频段和传感范围可调的高灵敏度可调谐传感器。

本发明基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，采用了MIM结构(金属-绝缘体-金属)和Fano谐振结构作为基础结构，如图1所示，以金属铜板作为基底1，在基底1上蚀刻出Fano谐振器结构；所述Fano谐振器结构包括环状槽2、设置在环状槽2一侧的沟槽4以及位于环状槽2和沟槽4之间的直通型主通道3；所述主通道3连通环状槽2和沟槽4，主通道3穿出基底1的两端；环状槽2与主通道3相切，所述沟槽4正对环状槽2与主通道3相切的部分，且与主通道3垂直。其中沟槽4提供的是连续态，环状槽2提供的是离散态，传感介质可以通过主通道3进入传感器并被检测到。

参见图1和图2，基底1上环状槽2内部为蚀刻形成的铜圆柱体5结构，铜圆柱体5的外部依次设置有液晶内环6和二氧化硅隔离环；其中，利用二氧化硅制成的隔离环7将液晶内环6与环状槽2分隔开，将液晶材料引入并通过隔离环7将其密封构成液晶内环6。所述的铜圆柱体5的半径r_i2为10μm～16μm，液晶内环6的厚度为4μm，即铜圆柱体5圆心到液晶内环6边缘的半径r_o2为14μm～20μm；所述圆心到隔离环7边缘的半径r_i1为14.5μm～20.5μm；所述圆心到环状槽2外圈的半径r_o1为15.5μm～21.5μm。在本发明一个较佳的实施例中，r_i2取值为10.5μm，r_o2的取值为14.5μm，r_i1的取值为15μm，r_o1的取值为16μm。

在上述结构的基础上，为了使液晶分子对齐，在基底1结构的上下表面均封装有二氧化硅隔离层，在隔离层8与基底1接触的部分沿着xoy方向自旋涂覆聚酰亚胺薄膜层；利用透镜清纸巾对隔离层8与基底1接触的表面多次摩擦，液晶分子的取向可以在隔离层8密封的环状槽2的上、下表面沿着x轴方向对齐。参见图1，x轴方向为主通道3的长度方向，y轴方向为沟槽4的深度方向。

本实施例中，主通道3为长方体结构，其横截面的高度w_m为3μm。沟槽4为长方体结构，沟槽4的深度h_g为34μm，槽宽w_g为10μm。

以上结构设计好后，在基底1结构的上下表面的隔离层8外部覆盖铜金属极板9，用于在隔离层8上基底1施加偏置电压。

环状槽2的FP谐振腔的谐振频率主要与腔体的长度有关，具体描述如下：

其中f_FP,m表示m阶谐振频率，L表示环状槽2外圈的周长，即图1中半径r₀₁所对应的圆的周长，m表示谐振阶数，

表示电磁波经过环状槽2、主通道3与沟槽4交接处时候的相位补偿，n_r表示的环状槽2腔体内介质的折射率，c表示自由空间中的光速。

根据上面的公式，当半径r_o1＝16μm时，其谐振频率接近模拟的谐振频率。下图3的(a)、(b)是不同半径r_o1的环的外圈和不同高度的沟槽4深度h_g的Fano谐振器的传输率；(a)中随着外环半径r_o1的增大，第一和第二谐振频率都向低频带移动，这是因为环的周长L越大，由环状槽2形成的FP谐振腔的谐振频率就越低；(b)中随着沟槽4深度的增加，低谐振频率所在的带宽变窄，而高谐振频率所在的带宽变宽。因此可以利用环状槽2外圈半径来改变第一和第二谐振频率，同时可以通过沟槽4的深度来调节第一和第二谐振频率的带宽，从而实现Fano谐振结构的最优性能；同时传感器的其他结构参数是通过计算机算法优化取值获得的。

本发明的工作原理如下：

入射信号沿着主通道3左侧进入传感器，经过环状槽2、主通道3与沟槽4交接的地方时，在环状槽2内传播，会出现FP谐振，产生亮模式，下方的沟槽4则会产生暗模式，两者相互干涉，从而产生Fano谐振，并且上方的环状槽2里的内环填充了液晶材料，将铜金属极板9贴于基底1结构上下的二氧化硅隔离层，通过铜金属极板9向液晶材料施加偏置电压，环状槽2所产生的亮模式的谐振频率可以随偏置电压(外电场、外磁场、温度场等)的变化而变化，最终输出的电磁波在主通道3的右侧输出。，从而实现可调谐的传感器结构。

本发明的传感器可以在固定结构的情况下，通过控制外电压的变化来动态控制液晶分子的取向和液晶材料的折射率，从而固定所吸收的波段，因此是一种频带可动态调节的传感器。

图4中(a)是不同偏置电压和传感介质折射率下的Fano谐振器的谐振频率，(b)是1.61THz的一阶谐振和(c)是2.69THz的二阶谐振的近场分布。(d)和(e)是在不同的偏置电压下一阶和二阶谐振频率的变化。从(a)可以看出，第一谐振频率的偏移量明显小于第二谐振频率的偏移量，且施加的偏置电压越低，谐振的频率越低，由此可见，对液晶施加偏置电压是可以改变传感器的谐振频率的，同时偏移量的变化也可以看出传感器是具有高灵敏度的。从图3中的(d)和(e)可以看出在无偏置电压下，当传感介质的折射率在1.0～1.1时，Fano谐振的峰值范围是1.533THZ～1.609THZ。当施加了50V的偏置电压的时候，传感介质的折射率在1.0～1.1时，Fano谐振的峰值范围变化到了1.478THZ～1.553THZ，这表明了Fano谐振频率的峰值范围是可调的。从图也可以看出，当传感介质的折射率固定时，施加偏置电压可以改变Fano谐振的峰值范围，当Fano谐振频率的峰值范围固定时，通过施加偏置电压可以改变传感介质的折射率大小，这表明了传感器的工作频带和传感范围是动态可调的。

本发明传感器整体采用了金属铜板，该材料价格便宜，在集成电路工艺里面也常用，利用蚀刻工艺蚀刻出环状槽2和主通道3以及沟槽4，同时环槽内的隔离层8采用了SiO₂材料，可以更好的将液晶材料封闭于内环中。

本发明提出的传感器结构灵敏度更高，其工作频段范围和传感范围更广且可调节，可将其用作高质量和可调谐的传感器，使得传感系统更加灵活和通用，同时具有高灵敏度的特性，对于检测介质变化细微的环境能发挥很好的作用。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述传感器以金属铜板作为基底(1)，在基底(1)上蚀刻出Fano谐振器结构；所述Fano谐振器结构包括环状槽(2)、设置在环状槽(2)一侧的沟槽(4)以及位于环状槽(2)和沟槽(4)之间的直通型主通道(3)；所述主通道(3)连通环状槽(2)和沟槽(4)，主通道(3)穿出基底(1)的两端；环状槽(2)与主通道(3)相切，所述沟槽(4)正对环状槽(2)与主通道(3)相切的部分，且与主通道(3)垂直；其中沟槽(4)提供的是连续态，环状槽(2)提供的是离散态，传感介质通过主通道(3)进入传感器；

所述基底(1)上环状槽(2)内部为蚀刻形成的铜圆柱体(5)结构，铜圆柱体(5)的外部依次设置有液晶内环(6)和隔离环(7)；

所述基底(1)结构的上下表面均封装有隔离层(8)，在隔离层(8)外部覆盖铜金属极板(9)，用于在隔离层(8)上向基底(1)施加偏置电压。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述铜圆柱体(5)的半径r_i2为10μm～16μm，铜圆柱体(5)圆心到液晶内环(6)边缘的半径r_o2为14μm～20μm；所述圆心到隔离环(7)边缘的半径r_i1为14.5μm～20.5μm；所述圆心到环状槽(2)外圈的半径r_o1为15.5μm～21.5μm。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述主通道(3)、沟槽(4)均为长方体结构。

4.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述主通道(3)的横截面的高度w_m为3μm,沟槽(4)的深度h_g为34μm，槽宽w_g为10μm。

5.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，在基底(1)结构的上下表面的隔离层(8)与基底(1)接触的部分自旋涂覆聚酰亚胺薄膜层对隔离层(8)与基底(1)接触的表面多次摩擦，使液晶分子的取向在隔离层(8)密封的环状槽(2)的上、下表面沿着x轴方向对齐；其中x轴方向为主通道(3)的长度方向。

6.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述隔离环(7)、隔离层(8)采用二氧化硅隔离环和二氧化硅隔离层。

7.根据权利要求1所述的基于太赫兹波段的液晶调制Fano谐振器的动态可调谐传感器，其特征在于，所述Fano谐振器的谐振频率与腔体的长度遵循以下关系：

其中f_FP,m表示m阶谐振频率，L表示环状槽(2)外圈的周长，m表示谐振阶数，

表示电磁波经过环状槽(2)、主通道(3)与沟槽(4)交接处时候的相位补偿，n_r表示的环状槽(2)腔体内介质的折射率，c表示自由空间中的光速。

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