蘇曉強，黃宇聰，李紹限，宋歌，許全

（1 山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 微結(jié)構(gòu)電磁功能材料省市共建山西省重點實驗室，大同 037009）

（2 杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院 智能微傳感器與微系統(tǒng)教育部工程研究中心，杭州 310018）

（3 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院 太赫茲研究中心，天津 300072）

0 引言

表面等離激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）是金屬表面的自由電子在外部電磁場的激發(fā)下所產(chǎn)生的一種沿金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)奶厥怆姶拍Ｊ剑鳛檫B接電子學(xué)與光子學(xué)的天然紐帶，SPP 波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長尺度的光信息傳輸與處理，從而作為信息載體在光子集成回路中顯示出巨大的應(yīng)用前景［1-3］。傳統(tǒng)SPPs 的研究局限在近紅外及可見光波段，隨著工作波長的逐漸增大，尤其在太赫茲和微波波段，金屬的介電常數(shù)逐漸趨于無窮大，使得表面等離激元演變成掠入射的電磁波，無法形成強束縛性的傳輸場。通過設(shè)計結(jié)構(gòu)化的金屬表面（如挖孔或刻槽等方式）來改變有結(jié)構(gòu)金屬區(qū)域的有效等離子頻率，使其往低頻靠攏，進(jìn)而實現(xiàn)在低頻波段下類似光波段SPPs 的特性，稱之為人工表面等離激元（Spoof SPPs，SSPPs）［4-8］，同時可以通過改變金屬結(jié)構(gòu)的幾何形狀以及周圍介質(zhì)的介電常數(shù)來實現(xiàn)對SSPPs 色散特性的有效調(diào)控。利用SSPPs 在深亞波長尺度的場束縛特性以及對周圍介質(zhì)的敏感特性，可實現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的傳感檢測。ZHANG X 等利用［9-10］基于亞波長深槽波紋形金屬圖案構(gòu)建了人工局域表面等離激元（Spoof Localized Surface Plasmons，SLSPs），通過激發(fā)各種多階/高階諧振模式研究結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和對周圍環(huán)境折射率的敏感程度，并實現(xiàn)了高品質(zhì)因數(shù)Q、高靈敏度的傳感檢測。ANNAMDAS V G M 等［11］提出通過測量超薄刻槽金屬圓盤結(jié)構(gòu)在垂直方向上載荷電磁波的近場強度，實現(xiàn)了SLSPs 共振模式對軸向載荷的非接觸式監(jiān)測。SHAO R L 等［12］利用二分之一或者四分之一的SLSPs 結(jié)構(gòu)通過微流體通道注入3.9 μL純乙醇實現(xiàn)了940 MHz 的共振頻率偏移。此外，GAO F 等［13］設(shè)計了一種在垂直平面方向上堆疊刻槽金屬圓盤來激發(fā)近場耦合，LIAO Z 等［14］實驗驗證了由兩個半徑不同的超薄刻槽圓盤所組成的平面系統(tǒng)通過發(fā)生相消干涉作用而產(chǎn)生多級法諾共振現(xiàn)象，這些工作同樣可以作為微量物質(zhì)的傳感檢測手段，而且在高階模式下所引起的頻率偏移比低階模式更為靈敏。盡管已有由不同樣式的諧振器結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的平面?zhèn)鞲衅骶哂休^好的傳感性能［15-16］，但這些結(jié)構(gòu)大多是基于SLSPs 的電磁模式，器件的小型化、集成度和共振模式的激發(fā)效率有待提升。

電磁誘導(dǎo)透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）是指原子三能級系統(tǒng)中發(fā)生量子干涉效應(yīng)，在強烈的吸收峰附近會產(chǎn)生尖銳的透射窗口?；谌斯の⒔Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)的類EIT 效應(yīng)是指通過明模-暗模的近場耦合所產(chǎn)生的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象［17-20］。類EIT 效應(yīng)由于其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計與豐富的應(yīng)用場景一直以來都是電磁功能調(diào)控領(lǐng)域的研究熱點，而且因其透明窗口輪廓較窄、高Q值以及高透射峰等優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微量物質(zhì)的高靈敏度傳感檢測，其工作原理是利用EIT 效應(yīng)的特征頻率/波長的移動變化量來等效計算周圍環(huán)境折射率的變化程度，其具體的性能指標(biāo)則通過靈敏度S和性能系數(shù)（Figure of Merit，F(xiàn)OM）來衡量，S和FOM 越大則傳感性能越好，反之，則其傳感檢測的效果越差。然而，目前類EIT 效應(yīng)的傳感檢測大多局限于空間波的激發(fā)與探測［21-23］，而在片上的應(yīng)用鮮有報道。

本文提出在SSPP 波導(dǎo)附近放置諧振頻率基本相同但Q值不等的兩個開口諧振器，通過與波導(dǎo)的近場耦合作用進(jìn)而產(chǎn)生片上的類EIT 效應(yīng)。利用類EIT 現(xiàn)象發(fā)生時在暗模諧振器中心開口處較強的場局域特性，將周圍環(huán)境的折射率變化反饋到類EIT 效應(yīng)特征頻率的偏移以及諧振強度的變化，從而實現(xiàn)片上的傳感檢測。在電磁仿真方面分析了待測物折射率、正切損耗、厚度以及半徑等參數(shù)對傳感特性的影響，并在實驗上分別對三種食用油進(jìn)行測量，證明所提出的SSPP 波導(dǎo)片上傳感器具有較高的靈敏度和FOM 值，而且測試過程方便靈活。隨著印刷集成電路、無線通信、可穿戴設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步，基于類EIT 效應(yīng)的片上傳感技術(shù)有望獲得更為廣闊的發(fā)展前景。

1 片上類EIT 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用人工微結(jié)構(gòu)來構(gòu)造的類EIT 效應(yīng)其實現(xiàn)方式主要有以下三類：1）與激發(fā)場耦合的低Q值明模+與明模耦合的高Q值暗模；2）與激發(fā)場強耦合的低Q值明模+與激發(fā)場弱耦合的高Q值暗模；3）結(jié)構(gòu)不對稱所產(chǎn)生的法諾諧振效應(yīng)。本文采用第二類產(chǎn)生方式，如圖1所示，采用側(cè)邊開口的金屬方環(huán)作為明模，邊長px=py=6 mm，線寬w1=0.75 mm，開口高度g1=1 mm，開口寬度與線寬一致；中心開口的特殊金屬環(huán)作為暗模，邊長與明模諧振器相同，線寬w2=0.4 mm，開口高度g2=0.25 mm，開口寬度d2=2.7 mm，二者之間的間距s=0.5 mm。通過全波電磁仿真軟件對這兩種諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能仿真，電磁波的傳播方向垂直于結(jié)構(gòu)平面，使用波端口對結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行設(shè)置，y方向為電邊界，x方向為磁邊界，在結(jié)構(gòu)的正（背）面分別設(shè)置波端口為1（2），通過透射系數(shù)S21來表征結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)，金屬材質(zhì)設(shè)置為銅，厚度為0.018 mm，基底材料為高頻介質(zhì)板F4B，介電常數(shù)為2.65，正切損耗為0.002，厚度為0.5 mm。分別對獨立的明模、獨立的暗模以及明-暗模組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，得到三種結(jié)構(gòu)的透射率譜線，如圖1（b）所示，由于明模和暗模諧振器的開口方向都是朝著y方向，因此獨立明模和獨立暗模都會在外界電場的作用下誘發(fā)LC 諧振，并在6.08 GHz 附近的頻率處產(chǎn)生一個諧振吸收峰。值得注意的是，暗模諧振器結(jié)構(gòu)相比明模諧振器結(jié)構(gòu)在開口處的寬度大，從而導(dǎo)致暗模的等效電容較大，根據(jù)RLC 諧振電路的工作特性，暗模諧振的Q值比明模的要更高，因此在明-暗模組合結(jié)構(gòu)中，兩種結(jié)構(gòu)會發(fā)生強烈的近場耦合作用，導(dǎo)致在原來的吸收峰位置處出現(xiàn)了一個較窄的透射窗口。進(jìn)一步分析透明窗口所對應(yīng)諧振頻率的場分布情況，能夠發(fā)現(xiàn)大部分電場能量局域在暗模的中心開口位置處，此現(xiàn)象符合類EIT 效應(yīng)的典型特征。

圖1 類EIT 結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖、透射譜和電場分布Fig.1 Schematic design of EIT-like structure，transmission spectrum and electric-field distribution

為了能夠在片上傳輸波導(dǎo)上實現(xiàn)類EIT 效應(yīng)，采用了經(jīng)典的基于雙側(cè)周期均勻開槽的金屬條帶作為SSPP 傳輸波導(dǎo)［24-25］，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為高度H=8 mm，凹槽的周期p=5 mm，槽寬a=2 mm，厚度t=0.018 mm，基底同樣采用高頻介質(zhì)板F4B。SSPP 波導(dǎo)的色散關(guān)系依賴于金屬凹槽的深度h，隨著開槽深度的增加，色散曲線逐漸偏離光線并接近截止頻率，同時雙側(cè)金屬條帶提供的倏逝場局域束縛性逐漸增強。兩端采用了從共面波導(dǎo)至開槽金屬條帶的過渡設(shè)計，實現(xiàn)了SSPPs 的高效激發(fā)，過渡段寬度w=25 mm，長度l=60 mm。整個SSPP 波導(dǎo)的傳輸系數(shù)S21在傳輸通帶為1.1～12.8 GHz 范圍內(nèi)大于-3 dB，其中波導(dǎo)的左（右）側(cè)定義為端口1（2）。將兩對能夠?qū)崿F(xiàn)類EIT 效應(yīng)的明-暗模組合結(jié)構(gòu)沿x軸鏡像放置在SSPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，明模放置在內(nèi)側(cè)，暗模放置在外側(cè)，由于在SSPP 波導(dǎo)的周圍分布有y方向的電場，越靠近SSPP 波導(dǎo)電場越強，因而能夠激發(fā)兩種諧振器結(jié)構(gòu)的LC 諧振，并且導(dǎo)致它們與SSPP 波導(dǎo)之間發(fā)生近場耦合作用，從而在傳輸系數(shù)S21的通帶內(nèi)會出現(xiàn)一個類EIT 效應(yīng)的透射峰，其頻率為6.03 GHz，Q值可通過Q=fEIT/FWHM 來計算，fEIT指的是類EIT 透射峰值所對應(yīng)的頻率，F(xiàn)WHM（Full Width at Half Maxima）指的是類EIT 透明窗口的半高寬，計算可得Q為28.575。值得注意的是，SSPP 波導(dǎo)的類EIT 現(xiàn)象相比之前只有明-暗模組合結(jié)構(gòu)時的效果較弱，同時透明窗口的特征頻率也略有偏移，主要是因為SSPP 波導(dǎo)周圍的倏逝場成局域緊束縛的分布特性。為了分析其諧振特性，圖2（c）和（d）給出了SSPP 波導(dǎo)加明-暗模組合結(jié)構(gòu)在x-y平面內(nèi)特征峰所在的頻率處的電場分布情況，首先強倏逝場激發(fā)明模的LC 諧振，弱倏逝場激發(fā)暗模的LC諧振，同時由于近場耦合效應(yīng)，被激發(fā)起來的明模在附近所形成的電場也會激發(fā)暗模的LC 諧振，而暗模的諧振電場同時也會反向激發(fā)明模，從而導(dǎo)致明模的兩條激發(fā)路徑發(fā)生干涉相消，產(chǎn)生了SSPP 波導(dǎo)的類EIT 現(xiàn)象，鄰近波導(dǎo)的明模諧振模式被強烈抑制，而外側(cè)的暗模諧振模式在中心開口位置處表現(xiàn)出明顯的電場局域增強。

圖2 SSPP 傳輸線的類EIT 效應(yīng)及特征頻率下的電場分布Fig.2 EIT-like effect of SSPP transmission lines and electric-field distribution at characteristic frequency

2 片上傳感機理與性能仿真

在發(fā)生類EIT 效應(yīng)時，明模與暗模諧振器之間的近場耦合作用，使暗模諧振器結(jié)構(gòu)中心的開口區(qū)域處聚集了高強度的電磁能量，導(dǎo)致該位置對周圍環(huán)境折射率的變化非常敏感。當(dāng)暗模結(jié)構(gòu)中心開口區(qū)域正上方的折射率發(fā)生變化時，將會反映到SSPP 波導(dǎo)類EIT 效應(yīng)特征峰的頻率偏移和強度變化，因此利用這一特點開展了基于片上類EIT 效應(yīng)的傳感性能仿真分析。

圖3 待測物不同折射率下對應(yīng)的傳輸系數(shù)S21及類EIT 峰值頻率與折射率的擬合線型Fig.3 Transmission coefficients S21 under different refractive indices of the analytes and the fitting line shape between EIT-like peak frequency and refractive index

圖4 待測物的正切損耗對類EIT 效應(yīng)的影響Fig.4 Influence of tangent loss of the analytes on EIT-like effect

圖5（a）給出了待測物折射率為1.55（對應(yīng)介電常數(shù)實部為2.4）、正切損耗為0、半徑為1.5 mm 的情況下，待測物的厚度th分別為0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm 變化時S21的響應(yīng)特性。可以看出，隨著待測物厚度的增加，整個EIT 透明窗口也發(fā)生了向低頻漂移的現(xiàn)象，其原因是由于待測物厚度的增加會使暗模諧振器的電容變大，使得其諧振頻率減小，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的類EIT 透射峰發(fā)生紅移。圖5（b）顯示了在待測物不同厚度的情況下其類EIT 透射峰頻移量與折射率變化之間的關(guān)系曲線，二者明顯成線性關(guān)系，通過線性擬合可以得到直線的斜率，其對應(yīng)的是不同厚度下的折射率傳感靈敏度?？梢园l(fā)現(xiàn)，待測物半徑一定的情況下，隨著厚度的增加其單位折射率變化所對應(yīng)的類EIT 峰值頻率的偏移量逐漸增加，擬合線的斜率也逐漸增大，其靈敏度在待測物厚度在0.6～1.0 mm 變化下值為0.91～1.12 GHz/RIU，相應(yīng)地，F(xiàn)OM 值在4.39～5.45 之間變化。

圖5 待測物不同厚度下對應(yīng)的傳輸系數(shù)S21及類EIT 峰值頻率與折射率的擬合線型Fig.5 Transmission coefficients S21 under different thickness of the analytes and the fitting line shape between EIT-like peak frequency and refractive index

圖6（a）給出了待測物折射率為1.55（對應(yīng)介電常數(shù)實部為2.4）、正切損耗為0、厚度為0.6 mm 的情況下，其待測物的半徑r分別為1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm 變化時S21的響應(yīng)特性。可以看出，隨著待測物半徑的增加，整個EIT 透明窗口同樣也發(fā)生了向低頻漂移的現(xiàn)象。圖6（b）顯示了在待測物不同半徑的情況下其類EIT 透射峰頻移量與折射率變化之間的線性關(guān)系，擬合直線的斜率為不同半徑情況下的折射率傳感靈敏度，其值在0.91～1.06 GHz/RIU 之間變化，對應(yīng)FOM 值在4.39～5.13 之間逐漸增大。值得注意的是，隨著待測物半徑的逐漸增大，其靈敏度也在逐漸增大，但受待測物半徑影響的靈敏度增加并不是沒有限制，當(dāng)半徑大于3.5 mm 以上時靈敏度的變化趨勢慢慢趨于恒定。這是由于電磁場能量主要局域在暗模諧振器中心開口處的區(qū)域，當(dāng)待測物所覆蓋的區(qū)域逐漸大于場局域的區(qū)域時，其對暗模諧振特性的影響也將趨于飽和，因此相應(yīng)的類EIT 透射峰的頻移量也逐漸趨于恒定。

3 實驗驗證及結(jié)果分析

為了驗證所提出的片上SSPP 波導(dǎo)基于類EIT 效應(yīng)的傳感性能，首先利用傳統(tǒng)的印刷電路板對設(shè)計的器件進(jìn)行了加工，樣品如圖7（a）所示，在SSPP 波導(dǎo)兩端的共面波導(dǎo)區(qū)域焊接上迷你版A 型連接器（SubMiniature Version A，SMA），并通過兩根50 Ω 阻抗的同軸電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent N5230C）的兩個端口1 和2，透射系數(shù)的測量值S21顯示了在無待測物（none）的情況下通帶內(nèi)有一個類EIT的透明窗口，如圖7（b）所示，相比模擬結(jié)果略有差異的原因是由加工誤差和介質(zhì)基底F4B 的介電常數(shù)不準(zhǔn)確所造成的。其次進(jìn)一步利用該器件對三種常用的食用油進(jìn)行了傳感檢測，分別是胡麻油（linseed oil）、葵花油（sunflower oil）和亞麻籽油（flaxseed oil），不同種類食用油的區(qū)別主要在于脂肪的含量有所不同，導(dǎo)致其相應(yīng)的折射率會有所差異。采用帶針頭的針筒注射器將每種待測的食用油滴在暗模諧振器中心開口的位置處，而且同時在SSPP 波導(dǎo)兩側(cè)對稱的暗模結(jié)構(gòu)處各注射1 滴，注射器的規(guī)格型號為1 mL，匹配針頭型號為0.45*16 RWLB。實驗中為了避免待測食用油對器件的污染，方便重復(fù)多次地快速檢測，使用超薄的保鮮膜緊貼在SSPP 波導(dǎo)器件的上方，將待測食用油滴在傳感位置對應(yīng)上方的保鮮膜上，該方法已被驗證所測量的實驗數(shù)據(jù)與直接滴在器件上的效果一致，所有實驗數(shù)據(jù)都是經(jīng)過多次取平均后的結(jié)果。將三種食用油的實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，當(dāng)仿真設(shè)置中待測物厚度為0.6 mm，半徑為1.5 mm，正切損耗為0，折射率分別為1.52、1.50、1.49 時，仿真結(jié)果的類EIT 透射峰值頻率與實驗結(jié)果相匹配，相應(yīng)的曲線走勢也基本一致，如圖7（c）所示，擬合得到靈敏度大小約為0.95 GHz/RIU，進(jìn)一步可計算FOM 約為4.32，表明所設(shè)計的傳感器能夠?qū)φ凵渎什顒e在0.01 左右的不同待測物有著較為明顯的檢測鑒別能力。

4 結(jié)論

本文利用SSPP 波導(dǎo)與其放置在附近的明-暗模諧振器組合構(gòu)成了片上的類EIT 現(xiàn)象，結(jié)合電場強度的分布解釋了類EIT 效應(yīng)的產(chǎn)生機理。進(jìn)一步利用暗模諧振器在類EIT 透射峰值頻率處對周圍環(huán)境折射率敏感的特性，實現(xiàn)了片上的傳感檢測，分別對待測物的折射率、正切損耗、厚度以及半徑變化所引起的類EIT 效應(yīng)特征頻率的偏移量和透射強度變化進(jìn)行了仿真分析，得到該傳感器在1.26～1.79 折射率變化下的靈敏度最高可達(dá)1.12 GHz/RIU，F(xiàn)OM 值可達(dá)5.45。實驗上制備了SSPP 波導(dǎo)器件樣品，并對三種食用油進(jìn)行了測量，驗證了基于類EIT 效應(yīng)的片上傳感性能。所提出的基于類EIT 效應(yīng)的SSPP 波導(dǎo)片上傳感器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、易于集成、傳感靈敏度較高等特點，并且通過在SSPP 波導(dǎo)兩側(cè)同時放置不同特征頻率的類EIT 諧振結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多種物質(zhì)的同時在線檢測，為片上傳感的設(shè)計提供了新的思路。