[发明专利]一种基于窄线宽暗模超表面天线的折射率传感器

说明书

本发明属于光电子器件技术领域，具体提供一种基于窄线宽暗模超表面天线的折射率传感器，包括从下到上依次设置的Si衬底、Cu膜、ZnSe介质膜以及周期性“T”字形Au天线。本发明的技术关键点在于“T”字形超表面天线的设计，其采用左右非对称的结构，利用天线左边和右边共振电流回路相互干涉抵消的原理实现具有窄线宽特征的磁二极子暗模式，获得高灵敏折射率传感性能。具体设计要求是左边天线较窄部分的长度与右边天线较宽部分的长度相等，宽度差大于350nm；同时“T”字形金属天线与下面的薄膜材料组成“金属薄膜‑介质层‑金属天线”三层结构。

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种基于窄线宽暗模超表面天线的折射率传感器。

背景技术

基于亚波长微结构的超表面天线能够有效地实现光场调控，且相比传统光学器件具有超薄和体积小的特点，超表面微结构中的共振模式在光传感技术、发光/热辐射器件、光电调制器等方面具有重要的应用价值。基于超表面天线的折射率传感技术能够实现生物化学物质的有效探测，在工业流程监控、医疗诊断和环境监测等方面具有广阔的应用前景。对于光学折射率传感器来说，重要的性能指标有灵敏度(Sensitivity)和优值(FOM)，灵敏度取决于器件对其表面折射率改变的反应大小程度，而优值则在灵敏度的基础上考虑了光谱波长的半高全宽(FWHM)，是对折射率传感器性能的综合考量参数。现有基于超表面天线的传感器能够实现从太赫兹到可见光多个波段的折射率传感，然而由于金属具有较高的欧姆损耗，传感器的光谱线宽较大，相应的折射率传感性能受限，其FOM优值普遍较低，限制了折射率传感器的实际应用。

暗模式(Dark mode)具有低辐射损耗和窄线宽特点，是提升折射率传感器性能的有效方法。现有技术利用明模耦合暗模的方法，实现了暗模超表面的折射率传感，其传感优值FOM可提高到几十，然而其光谱呈现为多个峰叠加的复杂法诺(Fano)线型，导致光谱分辨困难，同时天线单元间的缝隙很小，通常为20-50nm之间，导致传感器的加工制备难度大。如图1(a)所示的是Junqiao Wang等人于2013年提出的银纳米棒和开口谐振环组合形成的结构【见文献：Junqiao Wang,et al.,OPTICS EXPRESS,21(2),2236-2244,2013】，其中正中间的纳米棒作为明模谐振器，上下环绕的开口谐振环作为暗模谐振器。纳米棒和开口谐振环的耦合在光谱中产生复杂的Fano线型，206THz处的窄线宽峰为暗模式，而293THz处线宽较大的峰为明模式，如图1(b)所示。器件中暗模式的半高全宽(FWHM)线宽为26.1nm，在折射率传感中的灵敏度为1360nm/RIU，FOM优值达52.1，有效提升了传感器的性能。然而该技术中的光谱复杂，由混杂在一起的暗模和明模两个峰组成，此外器件中纳米棒和开口谐振环之间的缝隙间距仅为d₁＝d₂＝30nm，在实际制造中非常困难。

随后于2014年，Ndubuisi E.J.Omaghali等人设计了如图2(a)所示由相邻很近的两个金属条组成的超表面天线传感器【见文献：N.E.J.Omaghali,etal.,SENSORS,14(1),272-282,2014】。该器件由ITO玻璃衬底上一组不对称金纳米棒组成。在两个金属棒长度略有差别的条件下，两金属纳米棒之间的近场耦合同样使得透射谱中出现了复杂的Fano线型，其中低频270.5THz处的窄线宽峰即为暗模式，如图2(b)所示。该结构实现的折射率传感FOM为7，其光谱也是由混杂在一起的暗模和明模两个峰组成，器件中两金属棒的长度差为20nm，间距g为50nm，这些20-50nm大小的结构尺寸导致器件加工难度加大，不利于折射率传感器的批量制造。

上述现有基于暗模超表面天线的折射率传感器采用明模和暗模耦合的方法，由相邻很近的两个天线单元组成，其光谱为明模和暗模混杂的Fano线型，多个峰混杂在一起导致光谱分辨困难，同时天线单元间的间距很小，通常仅为20-50nm，导致器件加工难度大，不利于折射率传感器的大批量制备和实际应用。本发明提出了一种基于窄线宽暗模超表面天线的折射率传感器，该器件采用“T”字形金属天线，利用新颖的磁二极子暗模式，实现光谱易分辨、结构易加工的高性能折射率传感器。

发明内容