本發(fā)明涉及一種基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，基于光子晶體器件如光子晶體波導(dǎo)(文獻(xiàn)1：A.Goyal and S.Pal,“Design and simulation of high sensitive photonic crystal waveguide sensor,”O(jiān)ptik,vol.126,pp.240–243,Jan.2015)、光子晶體微腔(文獻(xiàn)2：P.Zhang,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,J.Zhou,L.Huang,Y.Ji,“Radius vertical graded nanoscale interlaced-coupled photonic crystal sensors array,”O(jiān)pt.Commun.,vol.355,pp.331–336,May.2015)和光子晶體環(huán)形諧振腔(文獻(xiàn)3：P.Sharma and P.Sharan,“Design of photonic crystal based ring resonator for detection of different blood constituents,”O(jiān)pt.Commun.,vol.348,pp.19–23,Aug.2015)等的傳感器被廣泛應(yīng)用在生物傳感(文獻(xiàn)4：D.Wang,Y.Liu,L.Yuan,J.Lei,X.Li,G.Wu,S.Hou,“An efficient optical biochemical sensor based on a polyatomic photonic crystal ring resonator,”O(jiān)pt.Commun.,vol.372,pp.160–165,Apr.2016)、壓力傳感(文獻(xiàn)5：S.Olyaee and A.Dehghani,“Nano-pressure sensor using high quality photonic crystal cavity resonator,”in CSNDSP,2012,paper 2,p.1–4)、和溫度傳感(文獻(xiàn)6：S.Robinson and R.Nakkeeran,“PC Based Optical Salinity Sensor for Different Temperatures,”Photonic Sens.,vol.2,pp.187–192,Feb.2012)等領(lǐng)域。由于尺寸小、品質(zhì)因數(shù)Q值高等優(yōu)點，許多直接耦合光子晶體微腔傳感器(文獻(xiàn)7：Y.Liu and H.Salemink,“All-optical on-chip sensor for high refractive index sensing in photonic crystals,”EPL,vol.107,pp.34008,Aug.2014；文獻(xiàn)8：X.Qian,Y.Zhao,Y.Zhang,Q.Wang,“Theoretical research of gas sensing method based on photonic crystal cavity and fiber loop ring-down technique,”Sens.Actuators B,vol.228,pp.665–672,Jan.2016；文獻(xiàn)9：J.Zhou,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,and Y.Ji,“Integration of high transmittance photonic crystal H2nanocavity and broadband W1waveguide for biosensing applications based on Silicon-on-Insulator substrate,”O(jiān)pt.Commun.,vol.330,pp.175–183,May.2014)被先后提出。這些直接耦合傳感器有的具有高的靈敏度S，有的具有高的品質(zhì)因數(shù)Q，但是因為不能同時具有高靈敏度S和高的品質(zhì)因數(shù)Q，導(dǎo)致傳感器的整體性能FOM＝Q×S/λ_res比較低，只有幾百。為了提高光子晶體直接耦合微腔傳感器的整體性能，提出了一種基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)。

(二)技術(shù)方案

實現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)。它由圓形空氣柱在硅板上周期性排列構(gòu)成光子晶體?？諝庵呐帕谐书L方形。將中間一行兩側(cè)的空氣孔移除只剩中間的七個，兩側(cè)形成W1波導(dǎo)。在最中心的空氣孔與其周圍六個空氣孔構(gòu)成的六個等邊三角形中心的位置分別放置一個小空氣孔，其半徑遠(yuǎn)小于晶格常數(shù)，最后將最中心的空氣孔移除，形成多小孔缺陷腔。

本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化方案為：

所述的構(gòu)成光子晶體的硅板厚度為240nm,折射率為3.48。

所述光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣柱陣列大小為11×23，結(jié)構(gòu)尺寸為5μm×10.5μm。

所述的光子晶體為三角晶格，晶格常數(shù)為a＝460nm。半徑r＝0.32a。每個分支的W1波導(dǎo)寬度為其中a為所述光子晶體的晶格常數(shù)。

在本發(fā)明技術(shù)方案中，改變六個小孔的半徑，可調(diào)節(jié)多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q。

在本發(fā)明技術(shù)方案中，改變中間兩側(cè)的第二個空氣孔向左右兩邊移動距離L，可調(diào)節(jié)多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q。

本發(fā)明的原理是，通過在缺陷腔中引入多個小孔，增加缺陷腔區(qū)域的表面積，進(jìn)而增加缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q和靈敏度S，達(dá)到增加傳感器性能FOM的目的。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單；

2.在缺陷腔中引入多個小孔，增加缺陷腔區(qū)域的表面積，進(jìn)而增加了缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q和靈敏度S。多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q最高可達(dá)71881，靈敏度可達(dá)236nm/RIU。

3.本發(fā)明提供的光子晶體直接耦合微腔傳感器性能參數(shù)FOM高達(dá)11238，較其他直接耦合微腔傳感器的性能參數(shù)FOM提高了兩個量級。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施提供的基于多小孔缺陷直接耦合微腔的光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中插圖是多小孔缺陷腔的放大圖。

圖2是利用PWE方法計算得到的TE極化的完美光子晶體的能帶圖。

圖3(a)是利用FDTD方法計算得到的圖1中L＝0，小孔半徑r_mini從0變化到0.14a時，圖1中光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器對應(yīng)的透射曲線。

圖3(b)是利用FDTD方法計算得到的圖1中多小孔缺陷腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)隨圖1中小孔半徑r_mini變化的規(guī)律。

圖4(a)是利用FDTD方法計算得到的圖1中r_mini＝0.1a，空氣孔移動距離L從0變化到0.14a時，圖1中光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器對應(yīng)的透射曲線。

圖4(b)是利用FDTD方法計算得到的圖1中多小孔缺陷腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)隨圖1中空氣孔移動距離L變化的規(guī)律。

圖5是本發(fā)明實施提供的性能最優(yōu)的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器的透射曲線和在諧振頻率處的場圖，最優(yōu)化參數(shù)為r_mini＝0.1a，L＝0.06a。

圖6是本發(fā)明實施提供的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器用作傳感的區(qū)域圖，折射率改變的空氣孔個數(shù)N＝18。

圖7(a)是圖6中傳感區(qū)域內(nèi)的空氣孔折射率n在1到1.08范圍內(nèi)變化時，利用FDTD方法計算得到的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器透射曲線，其中Δλ為諧振波長由于折射率變化所產(chǎn)生的偏移。

圖7(b)是多小孔缺陷腔的諧振波長與折射率變化的關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰，以下結(jié)合附圖，對發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

首先，本發(fā)明實施提供的基于多小孔缺陷直接耦合微腔的光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，光子晶體的硅板厚度為240nm，折射率為3.48。光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣柱陣列大小為11×23，排列成三角晶格，晶格常數(shù)為a＝460nm。半徑r＝0.32a。W1波導(dǎo)寬度為將中間一行兩側(cè)的空氣孔移除只剩中間的七個，兩側(cè)形成W1波導(dǎo)。在最中心的空氣孔與其周圍六個空氣孔構(gòu)成的六個等邊三角形中心的位置分別放置一個小空氣孔，其半徑遠(yuǎn)小于晶格常數(shù)，記為r_mini。最后將最中心的空氣孔移除，形成多小孔缺陷腔。中間兩側(cè)的第二個空氣孔分別向左右兩邊移動距離L。插圖是多小孔缺陷腔的放大圖。

利用PWE方法計算得到完美光子晶體TE極化的能帶結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，其縱坐標(biāo)是歸一化頻率(2πc/a)，可以看到光子帶隙從0.257到0.34，對應(yīng)的波長范圍就是1350nm到1790nm，足夠用作設(shè)計傳感結(jié)構(gòu)。

為了提高多小孔缺陷微腔的品質(zhì)因數(shù)Q，接下來對多小孔缺陷微腔的參數(shù)小孔半徑r_mini進(jìn)行優(yōu)化。

圖3(a)是利用FDTD方法計算得到的圖1中L＝0，小孔半徑r_mini從0變化到0.14a時，圖1中光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器對應(yīng)的透射曲線。幅度歸一化于光源強(qiáng)度。小孔半徑r_mini從0增加到0.14a時，由于缺陷腔區(qū)域內(nèi)低折射率介質(zhì)的增多，多小孔缺陷腔的諧振波長向高頻(藍(lán)移)。品質(zhì)因數(shù)Q定義為Q＝λ_res/δλ，其中λ_res代表諧振波長，δλ代表半高全寬。圖3(b)是利用FDTD方法計算得到的圖1中多小孔缺陷腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)隨圖1中小孔半徑r_mini變化的規(guī)律。當(dāng)r_mini＝0,L＝0時，品質(zhì)因數(shù)Q為19394，隨著r_mini的增加，多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q先增加后減小。當(dāng)r_mini＝0.1a時多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到最大為50041，相對于沒有引入小孔之前提高了將近3倍。

為了進(jìn)一步的提高多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q，當(dāng)r_mini＝0.1a保持不變時，改變中間兩側(cè)的第二個空氣孔向左右兩邊移動距離L，觀察其對多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q值的影響。

利用FDTD方法計算得到的圖1中r_mini＝0.1a，空氣孔移動距離L從0變化到0.14a時，圖1中光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器對應(yīng)的透射曲線，如圖4(a)所示。當(dāng)L增加時，由于缺陷腔區(qū)域內(nèi)高折射率介質(zhì)的增多，多小孔缺陷腔的諧振波長向低頻(紅移)。圖4(b)是利用FDTD方法計算得到的圖1中多小孔缺陷腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)隨圖1中空氣孔移動距離L變化的規(guī)律。隨著L的增加，多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q先增加后減小。當(dāng)L＝0.06a時多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到最大為71881，相對于其他直接耦合傳感器提高了一個數(shù)量級。

因此本發(fā)明實施提供的性能最優(yōu)的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為r_mini＝0.1a，L＝0.06a，其透射曲線和在諧振頻率處的場圖如圖5所示。由圖可知，在透射譜中包含一個狹窄的諧振峰，在微腔區(qū)域內(nèi)有強(qiáng)的光場局域。

接下來研究光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器的靈敏度。光子晶體傳感器的靈敏度S定義為Δλ/Δn，改變多小孔缺陷微腔周圍空氣孔的折射率會引起諧振波長的偏移。圖6是本發(fā)明實施提供的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器用作傳感的區(qū)域圖，折射率改變的空氣孔個數(shù)N＝18。當(dāng)圖6中折射率n在1到1.08范圍內(nèi)變化時，利用FDTD方法計算得到的光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器透射曲線如圖7(a)所示。當(dāng)折射率n逐漸增大時，多小孔缺陷腔的透射峰逐漸向長波長方向移動。圖7(b)是多小孔缺陷腔的諧振波長與折射率變化的關(guān)系曲線圖。由圖7(b)可知，多小孔缺陷腔的諧振波長與折射率的變化呈線性關(guān)系，其斜率即為光子晶體傳感器的靈敏度S(Δλ/Δn)。本發(fā)明實施提供的光子晶體傳感器的靈敏度S為213.7nm/RIU，F(xiàn)OM計算可得10176。當(dāng)所有空氣孔均作為傳感區(qū)域時，其靈敏度可達(dá)236nm/RIU，Q＝71881則FOM計算可得11238。