蘇曉強(qiáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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?，作為連接電子學(xué)與光子學(xué)的天然紐帶，SPP 波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)束縛性的傳輸場(chǎng)。通過設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)SSPPs 色散特性的有效調(diào)控。利用SSPPs 在深亞波長(zhǎng)尺度的場(chǎng)束縛特性以及對(duì)周圍介質(zhì)的敏感特性，可實(shí)現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的傳感檢測(cè)。ZHANG X 等利用［9-10］基于亞波長(zhǎng)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(duì)周圍環(huán)境折射率的敏感程度，并實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因數(shù)Q、高靈敏度的傳感檢測(cè)。ANNAMDAS V G M 等［11］提出通過測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了SLSPs 共振模式對(duì)軸向載荷的非接觸式監(jiān)測(cè)。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(shí)現(xiàn)了940 MHz 的共振頻率偏移。此外，GAO F 等［13］設(shè)計(jì)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(chǎng)耦合，LIAO Z 等［14］實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由兩個(gè)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(jí)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(cè)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(jí)系統(tǒng)中發(fā)生量子干涉效應(yīng)，在強(qiáng)烈的吸收峰附近會(huì)產(chǎn)生尖銳的透射窗口?；谌斯の⒔Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的類EIT 效應(yīng)是指通過明模-暗模的近場(chǎng)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(jì)與豐富的應(yīng)用場(chǎng)景一直以來都是電磁功能調(diào)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(shì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微量物質(zhì)的高靈敏度傳感檢測(cè)，其工作原理是利用EIT 效應(yīng)的特征頻率/波長(zhǎng)的移動(dòng)變化量來等效計(jì)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(cè)的效果越差。然而，目前類EIT 效應(yīng)的傳感檢測(cè)大多局限于空間波的激發(fā)與探測(cè)［21-23］，而在片上的應(yīng)用鮮有報(bào)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(gè)開口諧振器，通過與波導(dǎo)的近場(chǎng)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(shí)在暗模諧振器中心開口處較強(qiáng)的場(chǎng)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(qiáng)度的變化，從而實(shí)現(xiàn)片上的傳感檢測(cè)。在電磁仿真方面分析了待測(cè)物折射率、正切損耗、厚度以及半徑等參數(shù)對(duì)傳感特性的影響，并在實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)三種食用油進(jìn)行測(cè)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(cè)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(jì)

利用人工微結(jié)構(gòu)來構(gòu)造的類EIT 效應(yīng)其實(shí)現(xiàn)方式主要有以下三類：1）與激發(fā)場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)耦合的低Q值明模+與激發(fā)場(chǎng)弱耦合的高Q值暗模；3）結(jié)構(gòu)不對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行設(shè)置，y方向?yàn)殡娺吔?，x方向?yàn)榇胚吔?，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(duì)獨(dú)立的明模、獨(dú)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(dú)立明模和獨(dú)立暗模都會(huì)在外界電場(chǎng)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(gè)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(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的近場(chǎng)耦合作用，導(dǎo)致在原來的吸收峰位置處出現(xiàn)了一個(gè)較窄的透射窗口。進(jìn)一步分析透明窗口所對(duì)應(yīng)諧振頻率的場(chǎng)分布情況，能夠發(fā)現(xiàn)大部分電場(chǎng)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(jì)示意圖、透射譜和電場(chǎng)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(shí)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(shí)雙側(cè)金屬條帶提供的倏逝場(chǎng)局域束縛性逐漸增強(qiáng)。兩端采用了從共面波導(dǎo)至開槽金屬條帶的過渡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了SSPPs 的高效激發(fā)，過渡段寬度w=25 mm，長(zhǎng)度l=60 mm。整個(gè)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(duì)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(chǎng)，越靠近SSPP 波導(dǎo)電場(chǎng)越強(qiáng)，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(chǎng)耦合作用，從而在傳輸系數(shù)S21的通帶內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(jì)算，fEIT指的是類EIT 透射峰值所對(duì)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(jì)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(shí)的效果較弱，同時(shí)透明窗口的特征頻率也略有偏移，主要是因?yàn)镾SPP 波導(dǎo)周圍的倏逝場(chǎng)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(chǎng)分布情況，首先強(qiáng)倏逝場(chǎng)激發(fā)明模的LC 諧振，弱倏逝場(chǎng)激發(fā)暗模的LC諧振，同時(shí)由于近場(chǎng)耦合效應(yīng)，被激發(fā)起來的明模在附近所形成的電場(chǎng)也會(huì)激發(fā)暗模的LC 諧振，而暗模的諧振電場(chǎng)同時(shí)也會(huì)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(qiáng)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(chǎng)局域增強(qiáng)。

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

2 片上傳感機(jī)理與性能仿真

在發(fā)生類EIT 效應(yīng)時(shí)，明模與暗模諧振器之間的近場(chǎng)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(qiáng)度的電磁能量，導(dǎo)致該位置對(duì)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(shí)，將會(huì)反映到SSPP 波導(dǎo)類EIT 效應(yīng)特征峰的頻率偏移和強(qiáng)度變化，因此利用這一特點(diǎn)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(cè)物不同折射率下對(duì)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(cè)物的正切損耗對(duì)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(cè)物折射率為1.55（對(duì)應(yīng)介電常數(shù)實(shí)部為2.4）、正切損耗為0、半徑為1.5 mm 的情況下，待測(cè)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(shí)S21的響應(yīng)特性?？梢钥闯?，隨著待測(cè)物厚度的增加，整個(gè)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(cè)物厚度的增加會(huì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)物不同厚度下對(duì)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(cè)物折射率為1.55（對(duì)應(yīng)介電常數(shù)實(shí)部為2.4）、正切損耗為0、厚度為0.6 mm 的情況下，其待測(cè)物的半徑r分別為1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm 變化時(shí)S21的響應(yīng)特性?？梢钥闯觯S著待測(cè)物半徑的增加，整個(gè)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(cè)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(duì)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(cè)物半徑的逐漸增大，其靈敏度也在逐漸增大，但受待測(cè)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(shí)靈敏度的變化趨勢(shì)慢慢趨于恒定。這是由于電磁場(chǎng)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(cè)物所覆蓋的區(qū)域逐漸大于場(chǎng)局域的區(qū)域時(shí)，其對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)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(duì)設(shè)計(jì)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(gè)端口1 和2，透射系數(shù)的測(cè)量值S21顯示了在無待測(cè)物（none）的情況下通帶內(nèi)有一個(gè)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(duì)三種常用的食用油進(jìn)行了傳感檢測(cè)，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(huì)有所差異。采用帶針頭的針筒注射器將每種待測(cè)的食用油滴在暗模諧振器中心開口的位置處，而且同時(shí)在SSPP 波導(dǎo)兩側(cè)對(duì)稱的暗模結(jié)構(gòu)處各注射1 滴，注射器的規(guī)格型號(hào)為1 mL，匹配針頭型號(hào)為0.45*16 RWLB。實(shí)驗(yàn)中為了避免待測(cè)食用油對(duì)器件的污染，方便重復(fù)多次地快速檢測(cè)，使用超薄的保鮮膜緊貼在SSPP 波導(dǎo)器件的上方，將待測(cè)食用油滴在傳感位置對(duì)應(yīng)上方的保鮮膜上，該方法已被驗(yàn)證所測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與直接滴在器件上的效果一致，所有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，當(dāng)仿真設(shè)置中待測(cè)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(shí)，仿真結(jié)果的類EIT 透射峰值頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配，相應(yīng)的曲線走勢(shì)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(jì)算FOM 約為4.32，表明所設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)φ凵渎什顒e在0.01 左右的不同待測(cè)物有著較為明顯的檢測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度的分布解釋了類EIT 效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。進(jìn)一步利用暗模諧振器在類EIT 透射峰值頻率處對(duì)周圍環(huán)境折射率敏感的特性，實(shí)現(xiàn)了片上的傳感檢測(cè)，分別對(duì)待測(cè)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)上制備了SSPP 波導(dǎo)器件樣品，并對(duì)三種食用油進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)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(jì)簡(jiǎn)單、易于集成、傳感靈敏度較高等特點(diǎn)，并且通過在SSPP 波導(dǎo)兩側(cè)同時(shí)放置不同特征頻率的類EIT 諧振結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的同時(shí)在線檢測(cè)，為片上傳感的設(shè)計(jì)提供了新的思路。