基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元，包括金属银衬底（1），所述金属银衬底（1）上设置有位于同一直线上的输入波导腔（2）和输出波导腔（5），所述金属银衬底（1）上位于输入波导腔（2）和输出波导腔（5）之间设置有矩形谐振腔（4），所述矩形谐振腔（4）的轴线与传输波导腔的轴线垂直；所述金属银衬底（1）上位于矩形谐振腔（4）的一侧设置有环形谐振腔（3）。本实用新型专利技术“基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元”，能够增强测量的准确度，由于是微量测量，不会影响待测物质。从原理上讲，该方案简便易行，易于操作，具有较好的市场应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元
本技术属于表面等离子光学领域和微纳系统领域，具体为一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元。
技术介绍
计算机技术与互联网技术的发展，使得其运行速度与信息处理能力日渐强大，传统基于电子回路信息传递在热损耗等方面的局限愈专利技术显。光子器件在低热损耗、高速处理能力方面优于电子器件，并且随着纳米技术的发展，光子器件在实用的道路上愈来愈近。表面等离子激元共振现象的发现，突破传统光学衍射极限的限制，为纳米光子器件的发展带来新的契机。表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)被定义为电荷密度波，是等离子体和光子之间耦合的结果，其光场振幅在垂直界面方向以指数形式衰减。SPPs克服了光波衍射极限限制，使得制作纳米光子器件成为可能。近年来，随着金属亚波长波导器件的广泛应用，SPPs吸引了广泛的研究，并已成为一个新兴学科，如生物传感器、SPPs光刻以及超高分辨率成像。由于基于SPPs的金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)易于芯片化集成，因而引起了广泛的关注。等离子体结构作为传感器在很多的领域显得愈发重要，诸如物理学、化学、生物学、能源与信息领域等。
技术实现思路
本技术的目的是提出一种表面等离子体折射率传感单元，由一个环形谐振腔和矩形谐振腔耦合的MIM结构，该高灵敏度的折射率传感单元，用于不同介质的折射率测量，利用有限元法研究了其传感性能，通过改变传输介质的折射率，所设计的传感单元灵敏度为1000nm/RIU。本技术是采用如下技术方案实现的：一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元，包括金属银衬底，所述金属银衬底上设置有位于同一直线上的输入波导腔和输出波导腔，所述金属银衬底上位于输入波导腔和输出波导腔之间设置有矩形谐振腔，所述矩形谐振腔的轴线与传输波导腔的轴线垂直；所述金属银衬底上位于矩形谐振腔的一侧设置有环形谐振腔。使用时，对于待测溶液：吸取微量待测溶液滴在传感单元上，使其充满谐振腔室。可调谐激光光源耦合进输入端，出射端连接光电探测器，同时调节激光波长，利用频谱仪分析传输曲线，记录峰值波长λ1，对比真空（折射率n0=1）状态下峰值处对应波长λ0。可得待测溶液的折射率n1：n1=n0+(λ1-λ0)/S其中S为折射率传感器的灵敏度。对于待测气体，只需将传感单元置于待测气体环境中，原理同上，不在赘述。本技术“基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元”，能够增强测量的准确度，由于是微量测量，不会影响待测物质。从原理上讲，该方案简便易行，易于操作，具有较好的市场应用价值。附图说明图1表示等离子激元折射率传感单元二维结构示意图。图2表示等离子激元折射率传感单元三维结构示意图。图3表示改变介质折射率时的传输曲线，相邻传输曲线峰值处的波长间隔为20nm。图4表示折射率传感单元灵敏度拟合曲线，黑色方块表示仿真值，直线表示拟合结果。从图中可以看出该结构的折射率传感单元的灵敏度为1000nm/RIU。图中：1-金属银衬底，2-输入波导腔，3-环形谐振腔，4-矩形谐振腔，5-输出波导腔。具体实施方式下面结合附图对本技术的具体实施例进行详细说明。一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元，如图2所示，包括金属银衬底1，所述金属银衬底1上设置有位于同一直线上的输入波导腔2和输出波导腔5，所述金属银衬底1上位于输入波导腔2和输出波导腔5之间设置有矩形谐振腔4，所述矩形谐振腔4的轴线与传输波导腔（输入波导腔2和输出波导腔5）的轴线垂直；所述金属银衬底1上位于矩形谐振腔4的一侧设置有环形谐振腔3。环形谐振腔3的圆心位于矩形谐振腔4的轴线上。如图1所示，该折射率传感单元是由MIM波导耦合矩形腔与环形腔组成。银（Ag）层折射率为εm，图中阴影部分。白色代表电介质层，可以由待测溶液或者气体组成。为了保证基模（TM0）在波导中传播，设置传输波导腔（输入波导腔和输出波导腔）、环形谐振腔、矩形谐振腔的宽度均为d=50nm，耦合间距g1=g2=g3=10nm。环形谐振腔中内径r1=90nm、外径r3=140nm，矩形谐振腔高度h=100nm。光输入端口与光输出端口分别置于输入波导腔和输出波导腔的左右两端。为了说明该折射率传感单元的传输特性，在理论上给出以下阐述：银的介电常数可以用Debye-Drude色散模式加以推导，公式如下：其中，ε∞=3.8344和εs=-9530.5分别是无限频率介电常数和静态介电常数。τ=7.35×10-15表示弛豫时间，σ=1.1486×107S/m代表银的电导率。为了解释仿真结果中法诺共振现象，Sj±(j=1或2)代表SPPs波，κ1、κ2、κ3分别代表各个腔之间的耦合系数。若一特定频率的光入射（频率ω），AS、AR分别表示矩形谐振腔与环形谐振腔的光场振幅，其随时间的变化关系如下：其中，i是虚数单位，ωs与ωR分别是矩形谐振腔与环形谐振腔的谐振频率，根据能量守恒，入射与出射光波的幅度关系如下：同时，传输函数T为如下方程：为了说明介质折射率的变化对波导传输曲线的影响，如图3所示，介质折射率分别设置为1.00、1.02、1.04、1.06、1.08，折射率差值为0.02。根据仿真结果，发现随着介质折射率的增大，传输谱线发生红移。这是由于增大折射率的同时，介质的有效折射率增大。如图4所示，折射率每增大0.02RIU，法诺共振峰值处对应的波长向长波方向移动20nm，经计算，其灵敏度为1000nm/RIU。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照本技术实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本技术的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本技术的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本技术的权利要求保护范围中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元，其特征在于：包括金属银衬底（1），所述金属银衬底（1）上设置有位于同一直线上的输入波导腔（2）和输出波导腔（5），所述金属银衬底（1）上位于输入波导腔（2）和输出波导腔（5）之间设置有矩形谐振腔（4），所述矩形谐振腔（4）的轴线与传输波导腔的轴线垂直；所述金属银衬底（1）上位于矩形谐振腔（4）的一侧设置有环形谐振腔（3）。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属介质波导耦合谐振腔Fano共振的折射率传感单元，其特征在于：包括金属银衬底（1），所述金属银衬底（1）上设置有位于同一直线上的输入波导腔（2）和输出波导腔（5），所述金属银衬底（1）上位于输入波导腔（2）和输出波导腔（5）之间设置有矩形谐振腔（4），所述矩形谐振腔（4）的轴线与传输波导腔的轴线垂直；所述金属银衬底（1）上位于矩形谐振腔（4）的一侧设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志东，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：新型
国别省市：山西,14