本發(fā)明涉及一種基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復(fù)用傳感器陣列結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，基于等離子體亞微米功率分束器(文獻(xiàn)1：J.Wang,X.Guan,Y.He,Y.Shi,Z.Wang,S.He,P.Holmstr,L.Wosinski,L.Thylen,and D.Dai,“Sub-μm 2power splitters by using silicon hybrid plasmonic waveguides,”O(jiān)ptics express,19(2),838-847(2011))、多模干涉分束器(文獻(xiàn)2：Z.Sheng,Z.Wang,C.Qiu,et al,“A compact and low-loss MMI coupler fabricated with CMOS technology,”IEEE Photonics Journal,4(6),2272-2277(2012))和Y型分束器(文獻(xiàn)3：J.Gamet and G.Pandraud,“Ultralow-loss 1×8splitter based on field matching Y junction,”IEEE Photonics Technology Letters,16,2060-2062(2004)；文獻(xiàn)4：S H.Tao,Q.Fang,J F.Song,et al,“Cascade wide-angle Y-junction 1×16optical power splitter based on silicon wire waveguides on silicon-on-insulator,”O(jiān)ptics Express,16(26),21456-21461(2008))等分束器被廣泛研究。高靈敏度的傳感器如單束光子晶體槽結(jié)構(gòu)(文獻(xiàn)5：D.Yang,P Zhang,H.Tian,Y.Ji,Q.Quan,“Ultrahigh-and Low-Mode-Volume Parabolic Radius-Modulated Single Photonic Crystal Slot Nanobeam Cavity for High-Sensitivity Refractive Index Sensing,”IEEE Photonics Journal,7(5),1-8(2015))和雙束光子晶體槽結(jié)構(gòu)(文獻(xiàn)6：J.Zhou,H.Tian,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,Y.Ji,“Parabolic tapered coupled two photonic crystal nanobeam slot cavities for high-FOM biosensing,”)。而傳感器的復(fù)用可以極大提高傳感器效率，因此各種類型的光子晶體傳感器陣列(文獻(xiàn)7：S.Mandal,D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,”O(jiān)ptics Express,16(3),1623-1631(2008)；文獻(xiàn)8：D.Yang,H.Tian,Y.Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays,”O(jiān)ptics express,19(21),20023-20034(2011)；文獻(xiàn)9:J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,H.Tian,“Multiplexed Simultaneous High Sensitivity Sensors with High-Order Mode Based on the Integration of Photonic Crystal 1×3Beam Splitter and Three Different Single-Slot PCNCs,”Sensors,16(7),1050(2016)；文獻(xiàn)10：D.Yang,C.Wang,Y.Ji,“Silicon on-chip 1D photonic crystal nanobeam bandstop filters for the parallel multiplexing of ultra-compact integrated sensor array,”O(jiān)ptics Express,24(15),16267-16279(2016))被先后提出。這些傳感陣列，分別具有高靈敏度、高集成度、多路復(fù)用、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，低設(shè)計(jì)難度的一項(xiàng)或幾項(xiàng)特點(diǎn)。本傳感陣列結(jié)構(gòu)特色是絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)被應(yīng)用于整個(gè)設(shè)計(jì)，沒有設(shè)計(jì)任何懸浮區(qū)域，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高集成度、多路復(fù)用、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和低設(shè)計(jì)難度。

技術(shù)實(shí)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)明提出了一種基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復(fù)用傳感器陣列結(jié)構(gòu)。

(二)技術(shù)方案

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的技術(shù)方案是基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復(fù)用傳感器陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：該光子晶體傳感器陣列是基于一維納米束波導(dǎo)和硅波導(dǎo)分束/耦合器相結(jié)合，即空氣孔硅介質(zhì)SOI背景結(jié)構(gòu)；在一維光子晶體中引入槽結(jié)構(gòu)并與硅波導(dǎo)和一維光子晶體濾波器直接耦合，通過級(jí)聯(lián)分束/耦合器實(shí)現(xiàn)并行光子晶體傳感器陣列。

本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)化方案為：

將一個(gè)1×8分束器，八個(gè)一維光子晶體槽納米束微腔(1DPC-SNCs)，八個(gè)漸變型一維光子晶體帶阻濾波器(1DPC-TNBF)和一個(gè)8×1耦合器串聯(lián)在厚度2μm的二氧化硅襯底上。

所述光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣孔個(gè)數(shù)為40，厚度為220nm，晶格常數(shù)為a＝450nm?？諝饪渍伎毡冉Y(jié)構(gòu)為0.25-0.17的漸變。尺寸僅為13.6μm×0.65μm。通過改變空氣孔的半徑可以調(diào)節(jié)諧振腔頻率，通過增加空氣孔的個(gè)數(shù)可以一定程度上提高品質(zhì)因數(shù)Q。同時(shí)，在微腔中加入空氣槽，可以極大提高微腔的靈敏度。

所述的一種一維光子晶體濾波器，其光子晶體結(jié)構(gòu)包含的空氣孔個(gè)數(shù)為20，結(jié)構(gòu)尺寸僅為8.2μm×0.65μm，該傳感器結(jié)構(gòu)尺寸小，利于集成。在一維光子晶體波導(dǎo)末端引入漸變空氣孔，可以極大減少旁瓣抖動(dòng)。

所述的一種分束/耦合器，采用基于SOI的硅波導(dǎo)Y型分束器作為光子晶體并聯(lián)復(fù)用用感的分束器，基于SOI的硅波導(dǎo)的多模干涉耦合器作為光子晶體并聯(lián)復(fù)用用感的耦合器。利用貝塞爾曲線設(shè)計(jì)彎曲波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)分束/耦合器的設(shè)計(jì)靈活性。

(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(jiǎn)單；

2.通過引用槽結(jié)構(gòu)，極大的提高了靈敏度S。傳感器缺陷腔的靈敏度可達(dá)439nm/RIU。

3.本發(fā)明提供的1×8分束器和8×1耦合器的結(jié)構(gòu)尺寸分別為40μm×36μm和26μm×36μm，插入損耗分別為0.29dB和0.07dB。

4.絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)被應(yīng)用于整個(gè)設(shè)計(jì)，沒有設(shè)計(jì)任何懸浮區(qū)域，可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低設(shè)計(jì)難度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施提供的基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復(fù)用傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中插圖是單個(gè)傳感單元的放大圖。

圖2(a)一維光子晶體納米束微腔的結(jié)構(gòu)圖。

圖2(b)一維光子晶體納米束微腔的電場(chǎng)分布圖。

圖3(a)利用PWE方法計(jì)算得到占空比(f)為0.25和0.17的能帶圖。

圖3(b)不同占空比(f)的鏡像強(qiáng)度。

圖4(a)利用FDTD方法計(jì)算得到微腔的透射圖。

圖4(b)利用FDTD方法計(jì)算得到不同靈敏度下的諧振透射圖，通過諧振峰變化可以計(jì)算微腔的靈敏度。

圖5(a)一維光子晶體濾波器的結(jié)構(gòu)圖。

圖5(b)一維光子晶體濾波器入射頻率在阻帶時(shí)的電場(chǎng)圖(1609.81nm)。

圖5(c)一維光子晶體濾波器入射頻率在通帶時(shí)的電場(chǎng)圖(1501.55nm)。

圖6一維光子晶體納米束微腔與一維光子晶體濾波器級(jí)聯(lián)和不與一維光子晶體濾波器級(jí)聯(lián)的對(duì)比圖。

圖7(a)利用FDTD方法計(jì)算得到復(fù)用傳感器陣列在不同靈敏度下的諧振透射圖。

圖7(b)利用FDTD方法計(jì)算得到復(fù)用傳感器陣列在只有一個(gè)傳感單元折射率發(fā)生變化時(shí)的諧振投射圖。

具體實(shí)施方式

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

首先，本發(fā)明實(shí)施提供的基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復(fù)用傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，光子晶體的硅波導(dǎo)厚度為220nm，分束/耦合器的波導(dǎo)寬度為480nm，

圖2(a)給出了一維光子晶體納米束的結(jié)構(gòu)圖。晶格常數(shù)為a＝460nm，漸變區(qū)域空氣孔半徑r_center＝152.6nm到r_end＝125.8nm呈拋物線變化，共10個(gè)空氣孔。鏡像區(qū)域空氣孔半徑為r_end，共5個(gè)空氣孔。W波導(dǎo)寬度為650nm。圖2(b)給出了一維光子晶體納米束在諧振頻率的電場(chǎng)分布圖，可以看到光局域到空氣槽中，極大的提高了靈敏度并降低了微腔的模式體積。

圖3(a)利用PWE方法計(jì)算得到一維光子晶體單個(gè)周期單元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)，可以看到在占空比(f)為0.25和0.17時(shí)的光子帶隙。圖3(b)是不同占空比下的鏡像強(qiáng)度，其計(jì)算方法是其中，w_res是目標(biāo)頻率，w₁，w₂，和w₀分別是介質(zhì)帶邊緣，空氣帶邊緣和每個(gè)部分下的帶隙中心頻率。利用確定性高Q值計(jì)算方法(文獻(xiàn)11：Q.Quan,M.Loncar,“Deterministic design of wavelength scale,ultra-high Q photonic crystal nanobeam cavities,”O(jiān)ptics express,19(19),18529-18542(2011))得到最佳仿真結(jié)果。

接下來研究基于SOI的一維光子晶體槽納米束微腔傳感器的靈敏度。圖4(a)是利用FDTD方法計(jì)算得到的透射圖。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(huì)引起諧振波長(zhǎng)的偏移。當(dāng)圖2中的環(huán)境折射率n在1到1.04范圍內(nèi)變化時(shí)，利用FDTD方法計(jì)算得到的，在不同折射率下的諧振峰偏移透射曲線如圖4(b)所示。當(dāng)折射率n逐漸增大時(shí)，多小孔缺陷腔的透射峰逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。由圖4(b)可知，多小孔缺陷腔的諧振波長(zhǎng)與折射率的變化呈線性關(guān)系。本發(fā)明實(shí)施提供的一維光子晶體槽納米束光子晶體傳感器的靈敏度S為439nm/RIU。

圖5(a)給出了一維光子晶體濾波器的結(jié)構(gòu)圖。濾波區(qū)域空氣孔半徑為r_f＝90nm，共16個(gè)空氣孔，漸變區(qū)域空氣孔半徑r_f＝90nm到r_fe＝45nm，每側(cè)2個(gè)空氣孔，使其面積呈線性變化，即W波導(dǎo)寬度為650nm。圖5(b)和圖5(c)分別給出了一維光子晶體濾波器在阻帶(1609.81nm)和通帶(1501.55nm)的電場(chǎng)分布圖。圖6是利用FDTD方法計(jì)算得到的一維光子晶體納米束微腔與一維光子晶體濾波器級(jí)聯(lián)和不與一維光子晶體濾波器級(jí)聯(lián)的對(duì)比圖。圖7(a)利用FDTD方法計(jì)算得到復(fù)用傳感器陣列在不同靈敏度下的諧振透射圖。圖7(b)利用FDTD方法計(jì)算得到復(fù)用傳感器陣列在只有一個(gè)傳感單元折射率發(fā)生變化時(shí)的諧振投射圖。