[发明专利]基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器

说明书

本发明公开了一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔，所述的第一谐振腔和第二谐振腔中均填充待测溶液，所述的直波导中填充空气。当入射光波长是第一谐振腔的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导耦合到第一谐振腔，然后耦合进入第二谐振腔，再耦合进入第一谐振腔，再耦合进入直波导并输出，第一和第二谐振腔为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导结合金属挡板为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振。本发明结构简单、响应快，减小了器件的体积，实现小型化、高集成度的微纳光学传感器。

技术领域

本发明涉及光学器件的技术领域，具体涉及一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，对光学器件的小型化、高集成化提出了更高、更严格的要求，在更小的尺度上实现光子器件的集成化已成为当今的研究热点之一，然而，由于光学衍射极限的存在，传统的光学器件的发展遇到了瓶颈。

表面等离子激元(SPPs)是入射电磁波与自由电子在金属-介质界面耦合时产生的一种特殊的光学现象，能够突破传统光学衍射极限，为纳米光子器件的发展带来新的契机。Fano共振由窄带的离散态和宽带的连续态干涉形成，相比传统的洛伦兹共振，Fano共振呈现尖锐且不对称的共振线型，对结构参数及周围环境异常敏感，因此，Fano共振在生物传感、全光开关、滤波器、慢光传输、电磁诱导透明等方面均得到了广泛的应用，已经成为纳米光子学的研究热点。传统的光学溶液浓度传感器存在着结构复杂、体积大、响应慢等问题，且无法突破传统的光学衍射极限，因此，不能实现波长尺度或小于波长尺度的光波传输和操控，限制了传感器的小型化和集成化。

发明内容

基于现有技术的不足之处，本发明提供一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，用于测量折射率与浓度成线性关系的溶液的浓度，克服了传统光学溶液浓度传感器结构复杂、响应慢的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种基于Fano共振的侧边耦合波导谐振腔的溶液浓度传感器，包括基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔，所述的第一谐振腔和第二谐振腔中均填充待测溶液，所述的直波导中填充空气，金属层位于基底层上部，直波导、第一谐振腔和第二谐振腔分别安装于金属层内，入射光从直波导左侧的光入射端入射，从直波导右侧的光出射端出射，入射光为红外波段光，第一谐振腔为一个平行于直波导的矩形腔，第二谐振腔为开口向右侧的半圆环型腔，第一谐振腔位于第二谐振腔和直波导的之间，金属挡板位于直波导的几何中心位置，金属挡板的几何中心、第一谐振腔的几何中心、第二谐振腔的圆心位于同一条直线上，该直线与直波导垂直；当入射光波长是第一谐振腔的共振波长时，激发表面等离子激元，表面等离子激元由直波导耦合到第一谐振腔，然后耦合进入第二谐振腔，再由第二谐振腔耦合进入第一谐振腔，最后由第一谐振腔耦合进入直波导、并由直波导输出，第一谐振腔、第二谐振腔为产生Fano共振提供窄带的离散态，直波导结合金属挡板为产生Fano共振提供宽带的连续态，离散态与连续态的干涉产生Fano共振，在红外波段产生两个Fano共振，当待测溶液的浓度变化时，会改变待测溶液的折射率，进而导致Fano共振波长的变化，用光谱仪测量任一Fano共振的波长的移动量，就能够依据待测溶液的折射率与待测溶液的浓度间的线性关系，得到待测溶液浓度的变化量。

本发明还具有如下技术特征：

1、金属挡板的长度为50nm；第一谐振腔的长度为250nm-300nm；第二谐振腔的外径为250nm-300nm；直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔的宽度均为50nm；直波导与第一谐振腔的间隔距离为10nm，第一谐振腔与第二谐振腔的间隔距离为10nm；基底层、金属层、直波导、金属挡板、第一谐振腔和第二谐振腔的厚度均相等。

2、所述的基底层为二氧化硅。

3、所述的金属层和金属挡板均为银。