中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，應用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室張宇昊博士研究生提出了一種中長(cháng)波紅外波段8-12μm (25 THz-37.5 THz)的光學(xué)折射率傳感器。該傳感器基于“吉祥結”結構陣列的法諾共振，利用有限時(shí)域差分方法分析了其在紅外波段的反射光譜和近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布。該結構對周?chē)镔|(zhì)的折射率變化敏感，傳感靈敏度高達986nm/RIU，平均品質(zhì)因數為29。同時(shí)，該結構對入射光電場(chǎng)的偏振方向不敏感，該研究在光學(xué)傳感、生物傳感、環(huán)境監測等方面具有重要意義。
傳統的光學(xué)器件通過(guò)光的反射、折射等特性來(lái)進(jìn)行光的調控，體積通常較大。為了滿(mǎn)足現代化光電子器件對小型化和高集成度的要求，基于Fano共振的納米材料由于其優(yōu)異的光學(xué)特性，在高靈敏度生物傳感、快速響應的光學(xué)開(kāi)關(guān)、納米光電器件等領(lǐng)域應用廣泛，逐漸成為光調控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。
Fano共振能夠在很多微納系統中實(shí)現，其中，基于局域表面等離子體共振的金屬微納結構能夠在器件表面實(shí)現顯著(zhù)的局域場(chǎng)增強和有效的光場(chǎng)調控，經(jīng)常被用來(lái)實(shí)現生物傳感、材料的吸收增強與發(fā)光增強等領(lǐng)域。然而，由于金、銀等金屬材料中自由電子的振蕩導致了很強的輻射損耗，限制了其在納米光子學(xué)中的應用。
最近，人們發(fā)現高折射率的鍺、硅等全介質(zhì)微納器件可以解決金屬結構存在的問(wèn)題。與金屬微納器件相比較，全介質(zhì)微納器件不僅損耗較小，能夠實(shí)現高的品質(zhì)因子和場(chǎng)增強，而且光場(chǎng)主要被束縛在器件內部，有利于增強材料內部與物質(zhì)的相互作用。除此之外電介質(zhì)材料器件的制造成本低，與CMOS工藝兼容，基于電介質(zhì)材料的超表面逐漸成為更好的選擇。
如圖1所示，是提出的“吉祥結”結構示意圖。該結構是由氟化鋇襯底上的十字棒狀和四個(gè)圓環(huán)分布的周期陣列組成。P是周期，大小為為6。L1、L2分別是棒狀結構的長(cháng)和寬，數值分別為L(cháng)1=0.6μm，L2=5.6μm。R和r分別是圓環(huán)結構的外圓半徑和內圓半徑，大小分別為R=1μm，r=0.5μm?！凹榻Y”結構均由Si構成，其厚度t的大小為1。襯底氟化鋇與硅層存在較大的折射率差，使得該器件具有很大的光束縛能力。為了測試所提出的電介質(zhì)結構的性能，采用有限時(shí)域差分方法(FDTD)仿真反射光譜，得到的仿真結果如圖1(c)所示，插圖為窄帶反射位置的光譜放大圖，可以清晰地看到在7.3μm處達到“完美”反射，反射率高達94%，并且帶寬只有14nm，也就導致Q值高達到520。
圖1 “吉祥結”結構設計的理論模型示意圖。
(a)“吉祥結”結構陣列及入射光示意圖;
(b)“吉祥結”結構上視圖及相關(guān)尺寸標注;
(c)圖示入射光照射下“吉祥結”結構陣列的反射光譜圖，插圖為共振峰位置的放大圖
高Q共振是由Fano共振晶胞實(shí)現的，其中，諧振器之間的相互作用以及吸收損耗的減小，可以使輻射阻尼和非輻射阻尼最小化。十字棒狀結構與入射空間的自由空間激發(fā)緊密耦合，支持電偶極子，集體振蕩形成“亮”模式。法向入射的光不能直接激發(fā)圓環(huán)的磁偶極子模式，通過(guò)近場(chǎng)耦合的相互作用，導致圓環(huán)諧振器的集體振蕩并抑制輻射損耗，從而形成系統的“暗”模式。這兩種模式互相耦合，形成了一個(gè)非對稱(chēng)的Fano共振譜線(xiàn)，仿真得到的近場(chǎng)分布如圖2所示。
圖2 共振峰位置的近場(chǎng)分布圖。
入射光電場(chǎng)平行于x-軸時(shí)(a)x-y面的電場(chǎng)能量分布;
(b)x-y面的磁場(chǎng)能量分布;(c)x-z面的磁場(chǎng)能量分布;
入射光電場(chǎng)偏振角度為45度時(shí)(d)x-y面的電場(chǎng)能量分布;
(e)x-y面的磁場(chǎng)能量分布;
(f)x-z面的磁場(chǎng)能量分布
由于非常窄的線(xiàn)寬，此設計的一個(gè)應用方向就是光學(xué)折射率傳感器。本文所設計的介質(zhì)超表面對待測物質(zhì)的折射率的變化敏感，圖3為待測物質(zhì)示意圖。通過(guò)FDTD的方法，我們仿真了待測物質(zhì)的折射率從1.33-2.0變化的共振光譜曲線(xiàn)，變化步長(cháng)為0.005，得到的結果展示在圖4中。隨著(zhù)待測物質(zhì)折射率的增大，共振峰的位置發(fā)生了明顯的紅移，值得注意的是，本文所設計的介質(zhì)超表面對待測物質(zhì)的折射率變化測量范圍并不局限于這個(gè)范圍且折射率傳感的分辨率小于0.001。
圖3 中紅外光學(xué)折射率傳感平臺及待測物質(zhì)示意圖
圖4
(a)待測物質(zhì)折射率從1.33-2.0變化仿真得到的反射圖，
(b)待測物質(zhì)折射率從1.33-1.40變化仿真得到的反射圖，
(c)待測物質(zhì)折射率變化為0.001時(shí)仿真得到的反射光譜圖
通常，描述和對比光學(xué)折射率傳感器性能的一個(gè)重要參數就是靈敏度(S)，表示的是單位折射率變化時(shí)共振峰位置的偏移量，下面的表格展示了我們提出的折射率傳感器的特征參數分析。
本文采用有限時(shí)域差分方法研究了基于電介質(zhì)材料的“吉祥結”微納結構的共振特性，并分析其紅外波段的反射光譜和近場(chǎng)電磁場(chǎng)分布。所設計的介質(zhì)超表面對周邊的環(huán)境折射率變化敏感，傳感靈敏度高達986nm/RIU,最大Q值高達520，品質(zhì)因數(FoM)為29，共振的移相時(shí)間僅為1.8ps。除此之外，所設計的介質(zhì)超表面的共振對入射光電場(chǎng)的偏振方向不敏感，當改變入射光偏振態(tài)時(shí)，共振并不會(huì )消失。由于電介質(zhì)材料的使用，改善了使用金屬材料時(shí)普遍偏低的品質(zhì)因數，并和發(fā)達的CMOS工藝相兼容，使該設計有望實(shí)現大規模集成化生產(chǎn)。該研究在光學(xué)傳感、生物傳感、環(huán)境監測等方面均具有重要意義。
