一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，屬于光子晶體集成傳感器技術領域。所述傳感陣列包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一維光子晶體納米梁帶隙濾波器和一維光子晶體納米梁微腔傳感器；當一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經過一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的N條傳感分支和一維光子晶體納米梁微腔傳感器的N條傳感分支后，經N×1的S型功率合成器合成一束光波輸出。本發(fā)明結構設計緊湊，解調簡單，實際制作簡單，具有光子晶體體積小、損耗低、功耗低、光場局域性良好等優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體集成傳感器技術領域，涉及一種新型的基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列。
【背景技術】
[0002]目前，超小型高靈敏度生化傳感器在多種應用方面具有巨大吸引力，如醫(yī)療診斷、藥物開發(fā)、環(huán)境保護、醫(yī)療保障和食品安全，而光學傳感技術是進行靈敏、實時、無標記生物分子檢測的最流行的方法之一。在過去的幾十年中，已經開發(fā)了各種不同諧振模式的光子結構作為光學傳感器裝置。最常用的方案有基于表面等離子體共振(SPR)原理(文獻I，Y-LiujS-ChenjQ-LiujJ.Masson,and W.Peng，“Compact mult1-channel surface plasmonresonance sensor for real-time mult1-analyte b1sensingOpt.Express 23(16)，20540-20548,2015.)，回音壁微諧振器(WGM)(文獻2，B.Li，W.Clements，X.Yu，K.Shi，Q.Gong,and Y.Xiao，“Single nanoparticle detect1n using split-mode microcavityRaman lasers/’Proceedings of the Nat1nal Academy of Sciences 111(41)，14657-14662,2014.)，MZI干涉儀(文獻3，B.J.Luff，J.S.Wilkinson，J.Piehler，U.Hollenbach，J.Ingenhoff，and N.Fabricius，“Integrated optical Mach-Zehnder b1sensor，，，J.Lightwave Techno I.16 (4)，583-592，1998.)，環(huán)諧振器(RR)(文獻4，C.Smi th，R.Shankar，M.Laderer，M.Frish，M.Loncar，and M.Allen,uSensing nitrous oxide withQCL-coupled s iI icon-on-sapphire ring resonators Opt.Express 23(5),5491-5499，2015)和光子晶體(文獻5，M.Loncar，A.Scherer，and Y.Qiu，“Photonic crystal cavitylaser sources for chemical detect1n，，，Appl.Phys.Lett.82,4648-4651，2003.)。特別是基于光子晶體的光學傳感器由于其緊湊的尺寸、高可積性與在光子集成電路(PIC)中的高集成性，在集成傳感器陣列器件的高度并行復用傳感檢測和集成應用程序方面具有顯著優(yōu)勢。例如，Mandal等人展示了一種基于一維光子晶體微腔側耦合的硅波導位于帶狀波導旁邊的納米光電流體傳感器陣列(文獻6，S.Mandal and D.Erickson , “NanoseaIeoptof luidic sensor arrays,^Opt.Express 16(3)，1623-1631，2008.) DPal等展不了一種基于串聯(lián)連接的光子晶體微腔傳感器單元的(文獻7，S.Pal，E.GuiIlermain，R.Sriram，B.Mi IIer, and P.Fauchet,uSilicon Photonic Crystal Nanocavi ty-CoupledWaveguides for Error-Corrected Optical B1sensing，，，B1sens B1electron.26
(10),4024-4031，2011.)光學生物傳感器陣列dD.Yang等人證明了基于串聯(lián)的HO微腔側耦合到二維光子晶體波導的二維(20)光子晶體集成傳感器陣列(文獻8，0.￥&耶，!1.11&11，&11(1Y.Ji，“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates usingside-coupled resonant cavity arraysOpt.Express 19,20023-20 034，2011.文獻9，D.Yang,H.Tian and Y.Ji，“Nanoscale Low Crosstalk Photonic Crystal IntegratedSensor Array，”IEEE Photonics Journal 6，1_7，2014.)。然而，這些大多數的集成傳感器陣列是基于二維光子晶體，不適合高密度集成。并且，上述多通道2D PC-1SAs的所有傳感器單元不能被單輸入單輸出的光纖同時檢測到，將導致設備校準困難且成本昂貴。
【發(fā)明內容】
[0003]為了克服上述缺點和局限性，同時由于一維光子晶體納米梁微腔在光波導及電路中超高的緊湊性和可集成性，使其在集成芯片領域表現出了巨大的優(yōu)勢，與二維光子晶體微腔傳感相比，一維光子晶體納米梁微腔的性能參數(FOM)提高了至少一個數量級。本發(fā)明提出了一種新型的基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，具有很好的擴展性，本發(fā)明的陣列模型可以推廣到I XN陣列，包括I XN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一維光子晶體納米梁帶隙濾波器和一維光子晶體納米梁微腔傳感器；當一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經過一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的N條傳感分支和一維光子晶體納米梁微腔傳感器的N條傳感分支后，經NX I的S型功率合成器合成一束光波輸出。
[0004]本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0005]1.本發(fā)明結構設計緊湊，解調簡單，實際制作簡單，同類高性能光子晶體傳感器結構模型都是基于結構復雜的光子晶體微腔結構，傳感器結構的優(yōu)化設計相對比較復雜，而且對于維納加工制備技術精度要求非常高不利于光子晶體傳感器的實際制作；
[0006]2.本發(fā)明可以保留用于實現傳感的光子晶體納米束微腔的特定的基本模式，而濾去其它高階模式，提高其精確度；
[0007]3.串聯(lián)的一維光子晶體納米束帶隙濾波器對一維光子晶體納米束微腔傳感器的性能沒有影響，例如Q值，諧振峰位置，靈敏度等。
[0008]4.可擴展性好，陣列模型可以推廣到I XN陣列的情況。
[0009]5.該陣列結構的設計提高了一維光子晶體納米梁微腔傳感器陣列的復用能力和高度并行性能。另外，它還可以拓寬基于一維光子晶體納米梁微腔的光子集成器件和集成光學電路(1C)的密集集成性能。
[0010]6.本發(fā)明具有光子晶體體積小、損耗低、功耗低、光場局域性良好等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明提供的基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列的結構示意圖。
[0012]圖2中從上到下四個圖分別為三個傳感分支的透射譜圖和傳感陣列的透射譜圖。
[0013]圖3為32在不同折射率(町1、!?12、1?13)，31、33在1?13折射率下的透射譜圖。
[0014]圖4是微腔傳感器的三條傳感分支的波長隨折射率的變化曲線，斜率即傳感器的靈敏度。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0016]本發(fā)明提供一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，包括IXN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一維光子晶體納米梁帶隙濾波器和一維光子晶體納米梁微腔傳感器。當一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經過一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的N條傳感支路和一維光子晶體納米梁微腔傳感器的N條傳感支路后，經功率合成器合成一束光波輸出。所述的一維光子晶體納米梁帶隙濾波器，由單一完美的一維光子晶體納米束波導構成，它的空氣孔A半徑是相同的。所述的一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的濾波作用使最后輸出的透射譜中只保留目標諧振波，其他不必要的諧振模式被過濾掉。環(huán)境折射率改變，會導致光學元件透射譜偏移，或者諧振角度變化。通過測量波長偏移量或者角度變化量，即可實現折射率傳感。
[0017]如圖1給出的基于一維光子晶體的多束并行復用納米梁微腔傳感陣列的實施例中，功率分束器為I X 3的等功率分束器，功率合成器為3 X I的S型功率合成器，一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的三條傳感分支由上至下分別為F1、F2、F3，一維光子晶體納米梁微腔傳感器的三條傳感分支由上至下分別為:S1、S2、S3。
[0018]所述傳感分支采用的波導的介質是硅，背景介質是空氣。其中硅波導的厚度為220nm，納米梁寬度Wnb = 700nm，硅的折射率Nsi = 3.46,空氣的折射率Nair = 1.00
[0019]—維光子晶體納米梁帶隙濾波器，是由完美的一維光子晶體納米梁波導構成，每條傳感分支上，娃波導的寬度w = 70nm，厚度h = 2 20nm，親合進娃波導中的空氣孔A的數目N為偶數，N = 6，且所有空氣孔A半徑相同均為ri = 90nm，相鄰兩個空氣孔A中心之間的距離&1= 390nm。
[0020]—維光子晶體納米梁微腔傳感器具有超高的Q值，其Q值>107，它由10個耦合進硅波導的半徑變化的空氣孔B構成，硅波導的寬度w = 70nm，厚度h = 220nm，整個結構呈中心對稱，在對稱軸的每一側各有5個空氣孔B，并且從中心到末端，空氣孔B半徑逐漸減小。最中心的兩個空氣孔的半徑為reenter = 120nm，末端空氣孔的半徑為rend = 85nm，從中心開始的第i個空氣孔B 的半徑符合公式:r(i) = reenter+ ( i _ I ) 2 ( rend-rcenter ) / ( imax- 1)2，其中，1 = 1，2，...，5，imax = 5, imax表示單側空氣孔B的數量。相鄰兩個空氣孔B中心之間的距離a2 = 330nm。
[0021]通過仿真軟件對本發(fā)明的陣列傳感器的能帶圖、場圖和透射譜進行仿真，得到每個傳感分支的透射圖，如圖2所不，三個傳感分支都有且只有一個諧振峰，三個傳感分支的諧振波長分別為:1482nm、1518nm和1549nm。傳感陣列的透射譜圖為三個傳感分支透射譜圖的疊加，整個傳感陣列的透射譜中只有三個諧振峰，有利于實現高密度復用傳感陣列。
[0022]從圖3可以看出三個傳感分支都有且只有一個諧振峰，諧振波長分別在1482nm、1518nm和1549nm，整個傳感陣列的透射譜中只有三個諧振峰，有利于實現高密度復用傳感陣列。改變其中S2支路周圍環(huán)境的折射率，S1、S3折射率不變，觀察透射圖可以看出S2諧振峰的波長隨折射率的變化而變化明顯，SI與S3無變化，從而說明三條傳感分支的諧振波相互獨立。
[0023]本發(fā)明實現的高性能微納傳感器，其Q值高達107，從圖4可以看出S1、S2、S3的折射率靈敏度分別為125.7nm/RIU、145.6nm/RIU、111.5nm/RIU。本發(fā)明實現了高Q值和高靈敏度的一維光子晶體集成傳感器的設計與應用，不僅提高了集成性能，結構簡單，易于制作，而且提高了在實際應用測試過程中的精確度。
【主權項】
1.一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:包括IXN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一維光子晶體納米梁帶隙濾波器和一維光子晶體納米梁微腔傳感器；當一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經過一維光子晶體納米梁帶隙濾波器的N條傳感分支和一維光子晶體納米梁微腔傳感器的N條傳感分支后，經NX I的S型功率合成器合成一束光波輸出。2.根據權利要求1所述的一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:所述傳感分支采用的波導的介質是硅，背景介質是空氣，其中硅波導的厚度為220nm，納米梁寬度Wnb = 700nm，硅的折射率Nsi = 3.46,空氣的折射率Nair = 1.003.根據權利要求1所述的一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:一維光子晶體納米梁帶隙濾波器，每條傳感分支上，硅波導的寬度W =70nm，厚度h = 220nm，耦合進硅波導中的空氣孔A的數目M為偶數，且所有空氣孔A半徑相同均為ri = 90nm，相鄰兩個空氣孔A中心之間的距離相等。4.根據權利要求3所述的一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:空氣孔A的數目M為6，相鄰兩個空氣孔A中心之間的距離&1 = 390nm。5.根據權利要求1所述的一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:一維光子晶體納米梁微腔傳感器，由P個耦合進硅波導的半徑變化的空氣孔B構成，硅波導的寬度w = 70nm，厚度h = 220nm，整個結構呈左右對稱，在對稱軸的每一側各有P/2個空氣孔B，并且從中心到末端，空氣孔B半徑逐漸減??；最中心的兩個空氣孔的半徑為:Tcenter = 120nm，末端空氣孔的半徑為rend = 85nm，每一側從中心開始的第i個空氣孔B的半徑符合公式:r(i)=rcenter+(1-l)2(rend-rcenter)/(imax-l)2，其中，i = l，2，…，5，imax 表示單側空氣孔B的數量;相鄰兩個空氣孔B中心之間的距離相等。6.根據權利要求5所述的一種基于多束并行的一維光子晶體納米梁微腔集成傳感陣列，其特征在于:空氣孔B的數量為P = 10，相鄰兩個空氣孔B中心之間的距離a2 = 330nm。
【文檔編號】G01D5/26GK105973275SQ201610274150
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】楊大全, 楊玉潔, 紀越峰
【申請人】北京郵電大學