[發明專利]一種基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器

有效

• 申請號: 202210233883.5
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114778488B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 謝晨波;陳劍峰;趙明;楊昊;邢昆明;王邦新;王英儉
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01D5/32
• 代理公司: 合肥市上嘉專利代理事務所(普通合伙) 34125
• 代理人: 郭華俊

本發明屬于微納光學器件的技術領域，特別公開了一種基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器。所述折射率傳感器包括基底層、金屬層、第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔；所述基底層位于所述金屬層的下方；所述第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔通過開槽的方式設置在所述金屬層內；所述第一直波導和第二直波導位于同一直線上；所述第一諧振腔和第二諧振腔為對向開口的半圓形腔體。本發明結構清晰簡潔、尺度微小、光學響應較快，能夠產生Fano共振并且具有高傳感靈敏度和高品質因數，可用于檢測待測物質的折射率變化，從而實現微尺度光學領域的納米級折射率傳感。

技術領域

本發明主要涉及微納光學器件的技術領域，特別公開了一種基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器。

背景技術

隨著現代光通信技術的迅猛發展，對光學器件的集成化、微小化的要求越來越高。光纖傳感器、光波導元件等微納光學器件被廣泛用于各大領域中，但是由于傳統光學器件受光學衍射極限的影響，其發展遇到了極大的技術瓶頸。而在亞波長范圍內，表面等離子體激元(SPPs)可以突破光學衍射限制，為光子器件的未來帶來無限可能。SPPs由自由電子和金屬表面入射光子之間的相互作用產生，并沿金屬界面傳播。Fano共振源于系統中離散態與連續態之間的相互耦合，在一定的光頻范圍內，兩種態之間發生量子干涉抵消，系統表現出窄的光響應和高的局域增強。與傳統Lorenz譜線不同，Fano共振的譜線表現為尖銳不對稱形，并對幾何參數和介質環境非常敏感。這使得它被廣泛應用于傳感器、慢光器件、全光開關等領域。

在眾多基于SPP的波導器件中，金屬-絕緣體-金屬(MIM)光波導結構緊湊、成本低，可以輕松實現檢測器件的微小型化，實現納米級光學信息的傳輸。不僅如此，MIM光波導還被設計用于不同的應用，包括濾波器、波分復用器、耦合器和布拉格反射器。但是，傳統的折射率傳感器存在著結構復雜、光響應慢、無法微量測量等問題，因此現在急需一種基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器。

發明內容

針對上述問題，本發明公開了一種基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器，所述折射率傳感器包括基底層、金屬層、第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔；

所述基底層位于所述金屬層的下方；

所述第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔通過開槽的方式設置在所述金屬層內；

所述第一直波導和第二直波導位于同一直線上；

所述第一諧振腔和第二諧振腔為對向開口的半圓形腔體。

進一步的，所述第一直波導和第二直波導均為帶矩形短柱的直波導。

進一步的，所述基底層、金屬層、第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔的厚度均相等。

進一步的，所述基底層為二氧化硅，所述金屬層為銀；

所述第一直波導和第二直波導中填充空氣；

所述第一諧振腔和第二諧振腔中填充待測溶液。

進一步的，所述第一諧振腔的外徑范圍為200nm至250nm；

所述第二諧振腔的外徑范圍為200nm至250nm；

所述第一直波導、第二直波導、第一諧振腔和第二諧振腔的寬度為50nm；

所述第一諧振腔和第二諧振腔距離所述第一直波導的距離為10nm。

本發明的另一實施例中還公開了一種用于測量物質傳感特性的測試系統，所述測試系統包括上述實施例中任一項的基于開環腔耦合MIM波導的多重Fano共振折射率傳感器，所述測試系統還包括光波發射單元、光波接收單元和數據處理單元；