近日，應用光學國家重點實驗室張宇昊博士研究生提出了一種中長波紅外波段8-12μm (25 THz-37.5 THz)的光學折射率傳感器。該傳感器基于“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)陣列的法諾共振，利用有限時域差分方法分析了其在紅外波段的反射光譜和近場電磁場分布。該結(jié)構(gòu)對周圍物質(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(shù)為29。同時，該結(jié)構(gòu)對入射光電場的偏振方向不敏感，該研究在光學傳感、生物傳感、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要意義。

傳統(tǒng)的光學器件通過光的反射、折射等特性來進行光的調(diào)控，體積通常較大。為了滿足現(xiàn)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)異的光學特性，在高靈敏度生物傳感、快速響應的光學開關(guān)、納米光電器件等領(lǐng)域應用廣泛，逐漸成為光調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

Fano共振能夠在很多微納系統(tǒng)中實現(xiàn)，其中，基于局域表面等離子體共振的金屬微納結(jié)構(gòu)能夠在器件表面實現(xiàn)顯著的局域場增強和有效的光場調(diào)控，經(jīng)常被用來實現(xiàn)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中的應用。

最近，人們發(fā)現(xiàn)高折射率的鍺、硅等全介質(zhì)微納器件可以解決金屬結(jié)構(gòu)存在的問題。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?qū)崿F(xiàn)高的品質(zhì)因子和場增強，而且光場主要被束縛在器件內(nèi)部，有利于增強材料內(nèi)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(jié)”結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)是由氟化鋇襯底上的十字棒狀和四個圓環(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(jié)構(gòu)的長和寬，數(shù)值分別為L1=0.6μm，L2=5.6μm。R和r分別是圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外圓半徑和內(nèi)圓半徑，大小分別為R=1μm，r=0.5μm?！凹榻Y(jié)”結(jié)構(gòu)均由Si構(gòu)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(jié)構(gòu)的性能，采用有限時域差分方法(FDTD)仿真反射光譜，得到的仿真結(jié)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?guī)捴挥?4nm，也就導致Q值高達到520。

圖1 “吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論模型示意圖。

(a)“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)陣列及入射光示意圖;

(b)“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)上視圖及相關(guān)尺寸標注;

(c)圖示入射光照射下“吉祥結(jié)”結(jié)構(gòu)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共振晶胞實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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，通過近場耦合的相互作用，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(tǒng)的“暗”模式。這兩種模式互相耦合，形成了一個非對稱的Fano共振譜線，仿真得到的近場分布如圖2所示。

圖2 共振峰位置的近場分布圖。

入射光電場平行于x-軸時(a)x-y面的電場能量分布;

(b)x-y面的磁場能量分布;(c)x-z面的磁場能量分布;

入射光電場偏振角度為45度時(d)x-y面的電場能量分布;

(e)x-y面的磁場能量分布;

(f)x-z面的磁場能量分布

由于非常窄的線寬，此設(shè)計的一個應用方向就是光學折射率傳感器。本文所設(shè)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，變化步長為0.005，得到的結(jié)果展示在圖4中。隨著待測物質(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(shè)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范圍且折射率傳感的分辨率小于0.001。

圖3 中紅外光學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時仿真得到的反射光譜圖

通常，描述和對比光學折射率傳感器性能的一個重要參數(shù)就是靈敏度(S)，表示的是單位折射率變化時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(shù)分析。

本文采用有限時域差分方法研究了基于電介質(zhì)材料的“吉祥結(jié)”微納結(jié)構(gòu)的共振特性，并分析其紅外波段的反射光譜和近場電磁場分布。所設(shè)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(shù)(FoM)為29，共振的移相時間僅為1.8ps。除此之外，所設(shè)計的介質(zhì)超表面的共振對入射光電場的偏振方向不敏感，當改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)時，共振并不會消失。由于電介質(zhì)材料的使用，改善了使用金屬材料時普遍偏低的品質(zhì)因數(shù)，并和發(fā)達的CMOS工藝相兼容，使該設(shè)計有望實現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)。該研究在光學傳感、生物傳感、環(huán)境監(jiān)測等方面均具有重要意義。