基于MIM波导耦合矩形和双圆环形谐振腔的折射率传感器的制作方法

本实用新型涉及光学信号传输、超分辨率光刻、传感器、MIM波导等相关技术领域，涉及一种基于MIM波导耦合矩形和双圆环形谐振腔折射率传感器。

背景技术：

随着现代信息技术的高速发展，对光学器件的微型化和高度集成化提出了更高的要求，但是由于光学衍射极限的存在，传统光学器件的发展遇到了瓶颈。如何在更小的尺度上实现光子器件的集成已成为当今的一大研究热点。纳米光学和纳米制造技术的发展，催生了一门新的学科：表面等离激元纳米光子学。表面等离激元纳米光子学是研究光与物质相互作用的一门学科，在纳米尺度光操控、单分子检测、光学异常透射和超高分辨率光学成像等领域有广泛应用。纳米尺度上实现光信息的传输和处理是未来高密度光子集成回路的基石，表面等离极化激元（Surface plasmon polaritons, SPPs）能够突破衍射极限，具有很强的局域场增强特点，为高密度光子集成回路的实现提供了可能。金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）波导结构能避免辐射模和泄露模的出现，将 SPPs 模式束缚在中间介质层中，其具有对光局域能力强，结构简单且易于高度集成等优点。因此，利用 MIM 波导结构来操控 SPPs 波传播，实现光子器件的微型化和集成化受到人们广泛关注。由于表面等离激元具有独特的光学特性，其在高灵敏传感、生物检测、光学开关和光学滤波器等领域得到了广泛的应用。

目前，人们对多种形貌的 SPPs 波导结构进行了研究，包括 V 形槽波导、纳米线、楔形结构、金属缝结构等。在众多的 SPPs 波导结构中，MIM 波导结构因具备局域能力强和传播长度可接受等优点被广泛用于设计各种光子器件。随着微纳加工技术的进步，片上高灵敏传感检测技术是未来纳米传感器的发展方向，MIM 波导耦合谐振腔结构中产生的独特光学现象如 Fano 共振、电磁诱导透明等对环境介质特别敏感，借助这些新颖的光学现象设计易于片上集成的高灵敏 SPPs 传感器成为现在的发展趋势。因此，在

SPPs 波导中构建基于 Fano 共振的微纳传感系统，有望实现更加方便、快捷的检测。探索 Fano 共振在 SPPs 波导中的产生机理，不仅对理解光与物质的相互作用有重要意义，而且对金属纳米结构中实现光传感、光开关、滤波器等方面的研究具有重要的应用价值。

因此，利用MIM波导耦合谐振腔结构实现的 Fano 共振效应来设计高灵敏 SPPs 传感器是一种非常有希望的途径。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于MIM波导耦合矩形和双圆环形谐振腔折射率传感器，有效增强折射率传感器灵敏度，提高耦合效率，降低功耗，提高分辨率。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于MIM波导耦合矩形和双圆环形谐振腔折射率传感器，包括并排设置的第一银膜和第四银膜，第一银膜的中部和第四银膜的中部通过连接膜相连接，第一银膜和第四银膜之间并排设置有第一直波导和第二直波导，连接膜上设有矩形谐振腔，第一直波导和第二直波导相对于矩形谐振腔对称设置；第一银膜上设有第一圆环形谐振腔，第一圆环形谐振腔内设有第二银膜，第四银膜上设有第二圆环形谐振腔，第二圆环形谐振腔内设有第三银膜；第一圆环形谐振腔和第二圆环形谐振腔相对于矩形谐振腔对称设置。

本实用新型折射率传感器由两个一端封闭的 MIM 波导矩形和两个圆环形谐振腔组成。波导和谐振腔中填充介质为空气，剩余部分为银。矩形谐振腔与左右直波导之间的耦合有间距，矩形与两个圆环形谐振腔之间的耦合有间距，圆环形谐振腔和两个一端封闭的 MIM 波导的宽度为固定值宽度为 50 nm，保证 MIM 波导中只能传播 TM0模式。左端为光源入射端，右端为出射端。光源从左端入射时 MIM波导结构中的表面等离激元将被激发，激发的 SPPs 被限制在波导中并沿波导方向传播。基于时域耦合模理论，对 MIM 波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构的传播特性进行了分析, 结合理论公式和 COMSOL 有限元仿真，对该结构中出现的 Fano 共振线型进行了解释。该结构最大折射率灵敏度达到1160 nm/RIU，相应的分辨率为8.62×10^-5RIU。(RIU为折射率单位)。

本实用新型具有如下优点：

1）在波导内矩形谐振腔上下对称刻蚀环形谐振腔，结构简单，可采用分子束外延法、化学气相沉积法、磁控溅射等多种薄膜生长技术可以制备出高质量的银薄膜。利用微细加工技术（如聚焦离子束刻蚀法、电子束光刻法等）可以制备出谐振腔。因此，本波导的样品结构在实际中容易获得。

2）基于金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导的 SPPs 微纳传感器具有体积小、灵敏度高和易于集成优点。

3）MIM 波导耦合谐振腔结构中产生的独特光学现象如 Fano共振、电磁诱导透明等对环境介质异常敏感。

附图说明

图1是本实用新型折射率传感器的示意图。

图2是无圆环形谐振腔和有圆环形谐振腔的透射光谱对比图。

图3是共振峰偏移量随折射率的变化关系图。

图4是圆环形谐振腔不同半径下共振峰偏移量随折射率的变化关系图。

图1中：1.第一银膜，2.第一圆环形谐振腔，3.第二银膜，4.第一直波导，5.连接膜，6.第二圆环形谐振腔，7.第三银膜，8.矩形谐振腔，9.第四银膜，10.第二直波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型折射率传感器，包括并排设置的第一银膜1和第四银膜9，第一银膜1的中部和第四银膜9的中部通过连接膜5相连接，第一银膜1和第四银膜9之间并排设置有第一直波导4和第二直波导10，连接膜5上设有矩形谐振腔8，第一直波导4和第二直波导10相对于矩形谐振腔8对称设置，且第一直波导4、第二直波导10和矩形谐振腔8同轴设置，第一直波导4和第二直波导10均不与矩形谐振腔8相接触；第一银膜1上设有第一圆环形谐振腔2，第一圆环形谐振腔2内设有第二银膜3，第二银膜3不与第一银膜1相接触，第四银膜9上设有第二圆环形谐振腔6，第二圆环形谐振腔6内设有第三银膜7，第三银膜7不与第四银膜9相接触；第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔6相对于矩形谐振腔8对称设置，且第一圆环形谐振腔2、矩形谐振腔8和第二圆环形谐振腔6同轴设置，第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔6均不与矩形谐振腔8相连。

第一直波导4和第二直波导10的宽度为50nm，第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔6的宽度为50nm。第一直波导4与矩形谐振腔8之间的距离为10nm，第二直波导10与矩形谐振腔8之间的距离为10nm。

第一圆环形谐振腔2与矩形谐振腔8之间的间距为10nm，第二圆环形谐振腔6与矩形谐振腔8之间的间距为10nm。第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔7的结构参数相同。第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔6的内环半径设为R1、外环半径设为R2， R2－R1=50nm，即圆环形谐振腔的壁厚为50nm。矩形谐振腔8的宽度为50nm，长度为100nm，且矩形谐振腔8位于第一银膜2、连接膜5和第二银膜9围成的几何体的中心位置。第一银膜1、第二银膜3、第三银膜7和第四银膜9的材料为贵金属银且银参数均相同。

金属银膜的复介电常数采用德拜-德鲁特（Debye-Drude）色散模型：

其中，表示金属在无限大频率时的相对介电常数，为静态介电常数。τ=7.35×10^-15s为弛豫时间，δ=1.1486×10⁷S/m为电导率。第一直波导4，第二直波导10，第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔6内填充介质折射率为n。

入射光波为波长800～1300nm的TM波，传播方向为从左侧直波导入射。通过有限元方法（FEM）进行结构模型优化计算。

入射光源为偶极子源位于左侧直波导（第二直波导10）入射端口，且以高斯脉冲形式向右振动传播。在第一直波导4右侧端口即出射端口处设置一个能流探测器。透射率T=P2/P1, P2为有谐振腔时流过探测器的能流，P1为无谐振腔时流过探测器时的能流。从左端直波导入射的光会在波导内激发表面等离激元并且与矩形和两侧的圆环形谐振腔发生耦合。矩形谐振腔激发的是一个宽谱共振模式，圆环形谐振腔激发的是一个窄谱共振模式。两个谐振腔不同共振模式之间的耦合形成了Fano共振线型。图2为无环形谐振腔、有环形谐振腔的透射光谱图。其中，方形实心连线为无环形谐振腔时的透射谱，圆形实心连线为有两个环形谐振腔时的透射光谱。由图2可以看出，没有圆环形谐振腔时该结构的透射光谱为一条斜率为负、低透射率的平滑直线。增加圆环形谐振腔后，透射光谱表现为明显的非对称Fano共振线型。因此，由于在矩形腔两侧增加了环形谐振腔，使得该结构透射光谱出现了非对称 Fano 共振线型。

如图3为共振峰偏移量随折射率的变化关系图。其中第一圆环形谐振腔2的内环半径为R1=90nm，第二圆环形谐振腔7的内环半径为R2 =140nm。改变折射率n进行研究，由n=1到n=1.1间隔为0.02变化。由图3可以看出随着波导和谐振腔中填充介质折射率n的增加，共振峰的位置发生了线性红移。共振峰的位置对介质折射率的变化特别敏感，利用这一特性，可将该结构应用于金属波导的等离子体纳米传感器。得到折射率灵敏度为1000nm/RIU,对应灵敏度为8×10^-5RIU。

如图4为环形腔不同半径下共振峰偏移量随折射率的变化关系图。其中，圆形空心点连线为第一圆环形谐振腔2 的内环半径R1=70nm，第二圆环形谐振腔7的内环半径R2=120nm。方形空心点连线为：第一圆环形谐振腔2 的内环半径R1=90nm，第二圆环形谐振腔7的内环半径R2=140nm。三角形空心点连线为：第一圆环形谐振腔2 的内环半径R1=110nm，第二圆环形谐振腔7的内环半径R2=160nm。由图4可以看出随着圆环形谐振腔半径的等间隔增加，共振峰发生了等间距红移。该耦合结构的共振峰是由矩形谐振腔产生的宽谱共振和圆环形谐振腔产生的窄谱共振干涉相长产生，环形腔半径的增大导致了窄谱共振波长的红移，进而引起了Fano 共振峰的红移。通过对R1和R2的变化研究，当R1=110nm，R2=160nm时，折射率灵敏度为1160 nm/RIU，相应的分辨率为8.62×10^-5RIU。

由此得出本实用新型折射率传感器当第一圆环形谐振腔2和第二圆环形谐振腔7的内环半径为R1外环半径为R2分别为：R1=110nm，R2=160nm。

实现了折射率灵敏度为1160 nm/RIU，相应的分辨率为8.62×10^-5RIU，且结构简单，易于集成。