基于Tamm/Fano共振的折射率传感器

技术领域

本发明涉及一种基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，属于微纳光子学领域。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种沿金属-介质界面传播的表面电磁波，具有局域场增强效应，能够突破衍射极限，利用其特性可实现亚波长尺度下的光场调控，为光子回路的小型化、集成化提供可能。等离激元波导是集成等离激元器件中一种理想的光学元件，它支持等离激元的传播及亚波长尺度下的光场操纵。在各种等离激元波导结构中，金属-介质-金属(MIM)波导具有低弯曲损耗、长传输长度、易于制作等优点，是实现光子集成的纳米光子器件结构之一，研究人员已对各种基于MIM波导的光子器件开展了广泛研究，比如滤波器、开关、等离激元传感器等。在这些器件中，用于折射率传感的等离激元传感器因其在生物和化学检测中的应用前景而引起了人们的极大兴趣。灵敏度和品质因数(FOM)是评价等离激元折射率传感器的重要指标，这主要取决于传感器的光谱形状和光谱结构。

Fano共振是1961年丹麦学者U.Fano在研究惰性气体时，在原子吸收谱中发现的非对称共振现象。他认为Fano共振是量子系统中较窄的离散态能级与较宽的连续态能级相互耦合产生非对称光谱的共振现象，并在特定的光学频率下出现零吸收现象。Fano共振过程可以表述为：较窄的离散态与较宽的连续态相互耦合，形成非对称的Fano共振线型：

其中q为Fano共振参数，描述这种谱线的不对称度，ε＝2(ω-ω0)/γ，其中ω0和γ分别表示Fano共振峰的位置和线宽。相对于传统的洛伦兹谱线，Fano共振谱线是非对称的，并且共振谱线非常狭窄，共振频率和线型对周围环境和几何尺寸十分敏感。

基于Fano共振的等离子体系统具有尖锐不对称的谱线形状，可以极大地提高传感器的灵敏度和品质因数，具有成为一种高集成度的折射率传感器的巨大潜力，将Fano共振与MIM等离激元波导结构相结合，可以实现高灵敏度、高品质因数、超紧凑的等离激元折射率传感器。例如Wen等人提出了一种高灵敏度Fano共振折射率传感器(K.Wen,Y.Hu,L.Chen,J.Zhou,M.He,L.Lei,et al,Fano resonance based on end-coupled cascaded-ring MIMwaveguides structure,Plasmonics,2017,12(6):1875-1880)，该结构由MIM波导和具有沟槽的完美环谐振器构成，该结构具有较高的性能值和折射率灵敏度。Qiao等人提出了一种基于Fano共振的折射率传感器(L.Qiao,G.Zhang,Z.Wang,G.Fan,and Y.Yan,Study on theFano resonance of coupling M-type cavity based on surface plasmon polaritons,Optics Communications,2019,433:144-149)，该结构由m型腔和具有金属挡板的MIM波导构成，谐振峰的波长与m型腔的长度和宽度呈线性关系，在结构设计和调整上具有很好的灵活性。Yun等人提出了一种基于Fano共振的折射率传感器(B.Yun,R.Zhang,G.Hu,andY.Cui,Ultra sharp Fano resonances induced by coupling between plasmonic stuband circular cavity resonators,Plasmonics,2016 11(4):1157-1162)，该结构由MIM短截线和圆腔谐振腔构成，该系统由超窄离散谐振腔和MIM波导短截线的超宽光谱耦合而产生Fano谐振，通过改变结构参数，可以调整Fano共振的谱线形状。

综上所述，目前文献所报道的基于MIM波导中Fano共振的折射率传感器大都是由MIM波导和各种封闭的谐振腔结构构成，沿着波导传输的表面等离激元提供连续态，谐振腔提供离散态，二者的相互耦合实现非对称的Fano共振。Fano共振波长和谱线形状对谐振腔内物质的折射率比较敏感，从而实现折射率传感。由于提供离散态的谐振腔是封闭的，因此这类传感器不便于与待测物质相互接触，在实际应用中带来一定的困难。

有鉴于此，确有必要提出一种基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，通过采用开放式的布拉格光栅提供离散态，以便于折射率传感器与待测物质相互接触。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，包括金属-介质-金属波导、金属膜以及填充有待测介质的布拉格光栅，所述布拉格光栅位于波导的一侧，且所述布拉格光栅到所述波导的距离为h；所述金属膜位于所述波导内，并将所述波导分成光线入射区和光线出射区；当入射光经金属-介质-金属波导传输到所述金属膜时，分别形成连续谱和Tamm等离激元模式的离散谱，所述连续谱和所述离散谱相干叠加后，形成非对称分布的Fano共振，所述Fano共振的波长随所述布拉格光栅内的待测介质的折射率变化而变化。

作为本发明的进一步改进，所述布拉格光栅由单元A和单元B周期性排列构成，所述布拉格光栅的周期数为N；所述单元A的宽度和长度分别为w

作为本发明的进一步改进，所述布拉格光栅的周期数N为6，所述w

作为本发明的进一步改进，所述波导内的介质为空气，且所述波导的宽度为d。

作为本发明的进一步改进，所述波导的宽度d的取值范围为50nm-100nm。

作为本发明的进一步改进，所述金属膜的厚度为w，且所述金属膜的厚度小于所述折射率传感器工作波长λ的趋肤深度。

作为本发明的进一步改进，所述金属膜的厚度w的取值范围为10nm-30nm。

作为本发明的进一步改进，所述金属-介质-金属波导中的金属与所述金属膜所用的金属均为银。

作为本发明的进一步改进，所述入射光的波长为1550nm，所述银的介电常数为：-129+3.3i。

作为本发明的进一步改进，所述布拉格光栅为开放式的布拉格光栅，且其到所述波导的距离h的取值范围为6nm-20nm。

本发明的有益效果是：本发明基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，通过设置开放式的布拉格光栅，使入射光经金属-介质-金属波导传输到金属膜时，能够产生离散谱和Tamm等离激元模式离散谱。相对于现有技术中的封闭式谐振腔所激发的离散态，本发明的传感器具有更高的品质因数，同时开放式的布拉格光栅结构便于与外界待测物质的直接接触和连通，克服了现有技术中封闭式谐振腔不便于与待测物质相互接触的问题。

附图说明

图1是本发明基于Tamm/Fano共振的折射率传感器的结构示意图。

图2是本发明中无波导一侧的布拉格光栅时、无波导中的金属膜时、以及既有金属膜也有布拉格光栅时，传感器的透射谱。

图3是本发明中布拉格光栅内待测介质折射率分别为1.00，1.02，1.04，1.06，1.08，1.10时，折射率传感器的透射谱。

图4是本发明透射谱中透射峰处的波长，即Fano共振波长随着布拉格光栅内待测介质折射率的变化关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明揭示了一种基于Tamm/Fano共振的折射率传感器，包括金属-介质-金属波导、金属膜以及填充待测介质的布拉格光栅。布拉格光栅位于波导的一侧，且布拉格光栅到波导的距离为h。金属膜位于波导内，并将波导分成光线入射区和光线出射区。

具体地，布拉格光栅由单元A和单元B周期性排列构成，布拉格光栅的周期数为N；单元A的宽度和长度分别为w

当入射光经金属-介质-金属波导传输到金属膜时，则分别形成连续谱和Tamm等离激元模式的离散谱，连续谱和离散谱相干叠加后，形成非对称分布的Fano共振，Fano共振的波长随布拉格光栅内的待测介质的折射率变化而变化。也就是说，入射光经金属-介质-金属波导传输到金属膜时绝大部分被反射，少部分能够透过金属膜，透射谱为连续谱；同时，入射光的信号会耦合进一侧的布拉格光栅，当满足波矢匹配条件时，能够激发布拉格光栅和金属界面上的Tamm等离激元模式，该模式为离散谱；经金属膜透射的连续谱和Tamm等离激元模式离散谱相干叠加，形成非对称分布的Fano共振。其共振波长对布拉格光栅内填充介质的折射率异常敏感，从而实现对布拉格光栅内介质折射率的传感。

本发明中，优选地，波导中的介质为空气，布拉格光栅为开放式的布拉格光栅，且其到波导的距离h的取值范围为6nm-20nm。布拉格光栅中填充有待测介质，待测介质的折射率为n。波导的宽度d的范围为50nm-100nm，优选地，d＝50nm；金属膜的厚度w的取值范围为10nm-30nm，优选地w＝20nm。金属膜的厚度要小于折射率传感器工作波长λ的趋肤深度，当金属膜的厚度大于折射率传感器工作波长λ的趋肤深度时，光无法透过。具体地，布拉格光栅到波导的距离为h＝8nm；布拉格光栅的周期数N＝6，优选地，单元A的宽度和长度分别为w

金属-介质-金属波导结构中的金属与所述波导内的金属膜中的金属相同，均为银。其介电常数可参考Drude模型：

如图2所示，若波导芯中无金属膜，只有波导一侧的布拉格光栅，沿金属-介质-金属波导传输的表面等离激元会耦合进一侧的布拉格光栅，当满足波矢匹配条件时，能够激发布拉格光栅和金属界面上的Tamm等离激元模式，形成了窄线宽的阻带，即为离散态。若无波导一侧的布拉格光栅，只有波导芯中的金属膜，沿金属-介质-金属波导传输的表面等离激元传输到金属膜时绝大部分被反射，少部分能够透过金属膜，透射谱为连续态。若既有波导芯中的金属膜，也有波导一侧的布拉格光栅，经金属膜透射的连续态和Tamm等离激元模式离散态相干叠加，形成非对称分布的Fano共振。改变布拉格光栅内填充介质的折射率，会使Fano共振峰产生偏移，从而实现对布拉格光栅内介质折射率的传感。

如图3所示，所显示的谱线形状均为非对称分布的Fano共振谱线，随着折射率n的增加，Fano共振波长红移。Fano共振是一种弱耦合效应，它对结构参量的变化异常敏感，当波导一侧布拉格光栅内所填充的待测介质折射率发生改变时，Fano共振波长也会产生相应变化，从而由共振波长的变化得到折射率的变化，实现对布拉格光栅内介质折射率的传感。

如图4所示，折射率传感器Fano共振波长随布拉格光栅内待测介质折射率的变化关系，λ

综上所述，本发明是一种高品质因数折射率传感器件，通过采用金属-介质-金属波导耦合布拉格光栅的方式实现传感，即通过引入开放式的布拉格光栅，利用布拉格光栅和金属界面上的Tamm等离激元模式形成窄线宽的离散态，相对于现有技术中的封闭式谐振腔所激发的离散态，本发明的折射率传感器具有更高的品质因数，同时，开放式的布拉格光栅不但便于与外界待测物质的直接接触和连通，克服了现有技术中封闭式谐振腔不便于与待测物质相互接触的问题，而且还有效地提高了折射率传感器的品质因数，并且易于实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。