[发明专利]一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器

说明书

本发明公开了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，包括基底和分布在所述基底上的纳米金属结构，所述纳米金属结构包括：内齿轮环形耦合腔以及耦合腔下的直波导；内齿轮环形耦合腔包括环形及环形内部的四个突出的齿形结构；可通过改变齿高、环形半径等参数来改变谐振波长的位置，从而扩大使用范围。本发明是利用金属表面等离激元效应原理，使用金属‑介质‑金属波导结构进行设计的基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，结构相对简单、折射率敏感度高、制备方便，可应用于生物传感器、化学传感器等。

技术领域

本发明涉及一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器技术，属于纳米传感器技术领域。

背景技术

表面等离激元是金属表面的自由电子和电磁波相互作用产生的在金属和介质表面传输的一种能量波，它可以克服传统的衍射极限，可以使电磁场的局域性极大增强。这种卓越的特性使得人们可以在纳米量级对光场进行控制，并且制造出可以高度集成的光子器件。研究波段已经扩展到了可见光和近红外区域，因此具有广泛的应用前景。

表面等离激元可以将电磁场限制在金属的表面，我们只需改变金属表面的形状结构，就可以对表面等离激元进行控制。但是金属拥有吸收特性，光子的能量会被金属吸收转化为内部的热量，通常会有很大的损耗。但是将金属的厚度减小到一定程度的时候，金属上下表面的等离激元会分为两种不同的模式，其中一种模式的传播常数的虚部会趋近于0，损耗较小，传输距离较长，这就是长程表面等离子体。但是长程表面等离子体缺少等离激元器件所需要的表面局域特性。因此人们开始关注基于表面等离激元的金属-介质-金属波导结构，这种波导结构具有良好的局域特性，其损耗在所需长度范围内不是很高，传输的距离相对较长，可应用于纳米传感器的设计。

发明内容

为了克服当前的折射率传感器的敏感度低，体积大，难以集成的问题，本发明提出了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，提高传感器灵敏度。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器，包括基底和分布在所述基底上的纳米金属结构，所述纳米金属结构包括：直波导以及直波导之上两个内齿轮环形耦合腔；内齿轮环形耦合腔包括环形及环形内部的四个突出的齿形结构；可通过改变齿高、环形半径等参数来改变谐振波长的位置，从而扩大使用范围。

本发明以二氧化硅材料为基底，在基底上制备金属层图案，采用的贵金属材料为银。内齿轮环形腔的齿形结构圆弧中心与环形圆心的连线分别垂直或平行于直波导；内齿轮环形的齿形结构是相同的，两个内齿轮环形腔是完全相同的；直波导与下内齿轮环形腔的耦合间距和两内齿轮环形腔之间的耦合间距相同，环形部分的宽度，与直波导的宽度相同。

电磁波从左侧的输入端口输入直波导，在波长满足谐振条件时，从直波导耦合进入下内齿轮环形腔，然后耦合进入上内齿轮环形腔。在内齿轮环形腔中存在两种谐振模式，一种模式光场在环形部分的强度较大，称之为环模式，另一种模式光场在齿形结构处的强度较大，称之为齿模式；本结构形成的透射光谱中，齿模式对应的谐振峰深度较大，环模式对应的谐振峰深度较小，因此采用齿模式对应的谐振峰作为检测的特征峰。

本发明中上内齿轮环形腔耦合进入下内齿轮环形腔中的光场与直波导耦合进入下内齿轮环形腔的光场会产生干涉相消，因此透射光谱中有两个齿模式的特征峰，这两个峰均可用于检测。当介质部分的折射率发生变化时谐振峰的位置也会发生变化，根据峰值的位置可得到介质的折射率数值。

本发明的有益效果是：

本发明提出的双内齿轮环形传感器，基于双内齿轮环形腔的纳米传感器在实现局域场增强的同时又实现了良好的场约束效应，对待测介质折射率的变化非常敏感；透射谱图中有两个谐振峰都可以用来检测介质的折射率，因此波长的选择范围较广；结构包括直波导和两个内齿轮环形耦合腔，结构相对简单，面积较小，易于高度集成。

附图说明

图1为本发明的截面示意图。