引用本文:
张慧仙,伍铁生,王学玉,等. 一种谐振腔嵌入银纳米棒的表面等离子体激元传感器[J]. 光通信技术,2021,45(8):33-38.
张慧仙1,伍铁生1,2*,王学玉1,刘智慧1,杨祖宁1,杨 丹1
(1.桂林电子科技大学 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室, 广西 桂林 541004; 2.深圳大学 光电子器件与系统教育部重点实验室, 广东 深圳 518060)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:针对现阶段表面等离子体激元(SPP)传感器存在灵敏度低、结构制造复杂等问题,提出了一种由金属-绝缘体-金属波导和嵌入银纳米棒的谐振腔构成的高灵敏度、可调谐的SPP传感器。采用时域有限差分法对所设计传感器的光传输特性及传感特性进行了理论研究。仿真结果表明:当谐振腔引入或者不引入银纳米棒时,传输谱在500~3500 nm波长范围会呈现4个或者2个谐振峰;该结构的折射率灵敏度高达2116.72 nm/RIU,品质因数为27.503;通过对谐振腔填充乙醇,该结构可实现对环境温度的测量,温度灵敏度可达0.982 nm/℃。
关键词:等离子体激元;金属-绝缘体-金属波导;谐振腔;传感器;灵敏度
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)08-0033-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.08.007
0 引言
基于表面等离子体激元(SPP)的金属-绝缘体-金属(MIM)波导作为光波导的潜在分支,由于其易于集成在芯片上,且具有弯曲损耗低、传播长度大、亚波长限制深和制造相对简单的优点,因此受到广泛研究[1-8]。近年来,基于MIM波导与谐振腔耦合的微纳光子器件已在光通信、光传感中体现出潜在的应用价值。例如:吕桓林等人[9]提出了工作波长在890 nm 的狭缝波导聚合物基微环折射率传感器,其传感器的灵敏度为109 nm/RIU;石悦等人[10]提出耦合开口方环空腔结构,通过改变开口方环空腔的长度和开口大小调节共振波长,其灵敏度为1600 nm/RIU;祁云平等人[11]设计了一种乙醇密封共振腔MIM波导传感器,其温度灵敏度和折射率灵敏度分别为0.9 nm/℃和2400 nm/RIU;LI Z等人[12]提出了一种基于多重Fano共振的折射率传感器,其结构由侧耦合的半环腔和直波导构成,折射率灵敏度为1405 nm/RIU;MAHDIYE R等人[13]提出了一种具有锥形缺陷的环形谐振器波导结构传感器,通过在环形谐振器中引入缺陷来优化传感特性,其折射率灵敏度为1295 nm/RIU;LIU X等人[14]在LI Z研究基础上提出了D形谐振腔耦合波导传感器,该结构的最大折射率灵敏度为1510 nm/RIU;徐思宇等人[15-18]提出了2个纳米腔体分布在直波导两侧耦合的MIM波导、齿轮型谐振腔、T型狭缝和双矩形谐振腔等具有多种复杂结构的多腔体MIM波导传感器。但上述报道中基于MIM波导与谐振腔耦合的SPP传感器,要么传感灵敏度过低,要么加工难度过大。因此,设计灵敏度高、制备相对简单的SPP传感器依然是研究人员面临的一个挑战。
本文提出一种谐振腔嵌入银纳米棒的高灵敏度SPP传感器,其结构由MIM波导与嵌入银纳米棒的谐振腔耦合构成。
5 结束语
本文提出了一种谐振腔嵌入银纳米棒结构的SPP传感器,系统研究了其折射率与温度传感特性,该器件可实现微纳尺度的折射率及温度的传感测量。仿真结果表明:通过在纳米环中嵌入银纳米棒能控制和改变有效折射率,这有利于制造出常规纳米环不能实现的新的SPP模式。本文提出的结构会出现4种SPP模式,环境折射率的变化会引起SPP模式的漂移,作为折射率传感器件其灵敏度高达2116.72 nm/RIU, 比普通纳米环结构的灵敏度提高了1.82倍,FOM达27.503。与其它文献报道的类似设计相比,本文提出的SPP传感器最突出的优点是易于调谐、结构紧凑和灵敏度高,对设计高灵敏度纳米级折射率温度传感器具有一定指导意义。