一種基于四方晶格介質柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用四方晶格介質柱型光子晶體Wl.15波導與9個單孔微腔耦合構成溫度傳感器陣列的實現方法，屬于光子晶體傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002]光子晶體自上個世紀80年代提出以后，由于其具有很好的光子禁帶和光子局域特性，使得它在調制、濾波、傳感方面有廣泛的應用。而光子晶體傳感器以其高靈敏度、尺寸小、低功耗等特點，在傳感器領域顯示出巨大的優(yōu)勢和潛力。目前，光子晶體傳感器的研宄主要集中在生化傳感器(文獻1，W.Lai, S.Chakravarty, Y.Zou, Y.Guo, andR.T.Chen, “Slow light enhanced sensitivity of resonance modesin photoniccrystal b1sensors，，，Applied Physics Letters 102 (4)，041111，(2013))，壓力傳感器(文獻 2，D.Yang, H.Tianj N.Wuj Y.Yang, and Y.Jij uNanoscale tors1n-free photoniccrystal pressure sensor with ultra-high sensitivity based on side-coupledpiston-type microcavity, ^ Sensors and Actuators A 199，30-36 (2013))，折射率傳感器(文獻 3，D.F.Dofnerj T.Hurlimannj T.Zabelj L H.Frandsenj G.Abstreiterj andJ.J.Finley, “Silicon photonic crystal nanostructures for refractive indexsensing，’’Applied Physics Letters 93，181103 (2008))，位移傳感器(文獻 4，D.Yang，Η.Tianj Y.Jij “Micro displacement sensor based on high-Q nanocavity in slotphotonic crystal，，，Optical Engineering 50 (5)，054402，(2011))，溫度傳感器(文獻 5? H.Lu, Μ.P.Bernal, uIntegrated temperature sensor based on an enhancedpyroelectric photonic crystal，”O(jiān)ptics Express 21(14)，(2013))等等D 隨著傳感技術的發(fā)展和實際的應用需要，光子晶體傳感器陣列越來越受到關注，成為研究的熱點。例如(文獻 6，S.Mandal and D.Erickson, uNanoscale optof luidic sensor arrays，，，OpticsExpress 16 (3)，1623 - 1631，(2008))，設計了由許多塊單排孔光子晶體組合構成的生物分子傳感器陣列，但是該傳感器陣列不是在同一塊光子晶體平板模塊上實現的，從而影響集成度D 通過改進，(文獻 7，D.Yang，H.Tian，and Y.Jij “Nanoscale photonic crystalsensor arrays on monolithic substrates using side-coupled resonant cavityarrays，” Optics Express 19 (21)，20023 - 20034，(2011))，利用邊腔耦合設計了光子晶體折射率傳感器陣列，大大提升了集成度，然而該傳感器陣列結構基于三角晶格空氣孔型光子晶體，帶隙較窄，傳感器靈敏度也較小。
[0003]本發(fā)明首次將四方晶格介質柱型光子晶體結構與單孔微腔結合構成溫度傳感器陣列。設計9個不同半徑和偏移構成的單孔微腔結構與Wl.15波導進行耦合形成傳感器陣列，增加了陣列傳感器傳感數目。當各個傳感區(qū)域溫度分別產生變化時，可以實現多個傳感區(qū)域的實時同步溫度傳感。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明首次提出將光子晶體溫度傳感器陣列在同一塊二維四方晶格介質柱型光子晶體模塊上，實現了 9個單孔微腔同時進行傳感的光子晶體溫度傳感器陣列結構。該光子晶體溫度傳感器可以在半導體材料基板(SOI)上通過電子束曝光法等制作技術制備出Wl.15波導和9個單孔微腔進行耦合的二維四方晶格介質柱型光子晶體結構。當改變光子晶體傳感器陣列某個微腔周圍溫度時，硅介質柱的折射率會隨溫度而線性變化(線性變化可以由公式η(Τ) =η0+α Λ T表示，其中Iitl表示溫度為0°C時硅的折射率)，從而導致透射譜中相應的諧振下墜峰發(fā)生偏移，實現對不同溫度的感知和檢測。
[0005]本發(fā)明首先研宄Wl.15波導和單個單孔微腔耦合實現溫度傳感的結構。當形成單孔微腔的功能介質柱半徑和偏移一定時，該微腔的諧振頻率固定。當特定波長范圍內的光進入光子晶體波導后，與諧振腔頻率吻合的光會被局域在微腔內，其余光沿著波導繼續(xù)傳輸，從而在輸出端會檢測到具有明顯下墜峰的透射譜。
[0006]在單個諧振腔的基礎上，在Wl.15波導兩側相繼耦合9個半徑和偏移不同的單孔微腔構成的溫度傳感器陣列結構。每個諧振腔具有不同的諧振頻率，從而形成傳感器陣列。通過仿真軟件對陣列結構進行仿真，得到透射圖中產生9個下墜峰，且與9個諧振腔的頻率相吻合。然后分別改變單個傳感器微腔周圍的溫度，發(fā)現只有溫度發(fā)生改變的諧振腔對應的諧振峰發(fā)生偏移，其他的保持不變。即每個傳感器之間可以獨立工作，互不干擾，從而實現了不同溫度的實時同步傳感檢測。
[0007]本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現:
[0008]一種基于四方晶格介質柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結構的設計和實現方法，其中:
[0009]該光子晶體溫度傳感器陣列是基于四方晶格介質柱二維光子晶體微腔結構實現的，其中二維光子晶體微腔結構可以在半導體材料基板(SOI)上通過光深度刻蝕法等制作技術制作。
[0010]所述光子晶體溫度傳感器陣列是由光子晶體Wl.15波導和9個半徑以及偏移不同的單孔微腔組成的陣列構成，其中Wl.15波導的寬度為2.3a，a是四方晶格光子晶體的晶格常數。
[0011]所述的二維光子晶體中，背景介質為空氣，介質柱是硅。
[0012]所述的二維光子晶體中，晶格常數為a = 600nm，介質柱的半徑為r = 0.18a。
[0013]所述的介質柱硅的折射率為3.4，背景介質空氣的折射率為1.00。
[0014]所述的光源的中心頻率ω。= 0.387(2 π c/a)。
[0015]所述的諧振腔的設計是改變介質柱半徑和偏移形成的單孔微腔。
[0016]所述的9個諧振腔的排列是在Wl.15波導兩側排列的。
[0017]所述9個光子晶體微腔是通過兩個方面的參數變化來設計完成的，一是改變形成微腔的功能介質柱的半徑；二是在垂直于波導方向上將功能介質柱及其上一個介質柱向著遠離波導的方向偏移。通過具體設計每個諧振腔的參數，使得每個諧振腔的諧振頻率彼此能夠分開并且都位于由線缺陷所產生的導模所覆蓋頻率范圍之內，以便透射譜的測量和分析。
[0018]所述光子晶體溫度傳感器陣列的折射率靈敏度(S)可以示為:S = Λ λ/Λ T，其中Δ λ是諧振波長峰值的偏移量；AT是感知區(qū)域內溫度的變化量。當感知區(qū)域內溫度發(fā)生變化時，諧振腔的諧振頻率也隨之發(fā)生偏移，通過測量和分析透射譜中諧振波長峰值的偏移變化，即可得到光子晶體溫度傳感器的靈敏度。
[0019]與傳統(tǒng)方法相比本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0020]本方案中所提及的一種基于四方晶格介質柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結構是一種基于二維光子晶體結構，通過設計具有不同諧振頻率的諧振腔陣列，并能夠使各諧振腔與光子晶體波導之間實現高效耦合來設計完成的，首次提出將光子晶體溫度傳感器陣列在同一塊四方晶格介質柱型二維光子晶體模塊上實現。
[0021]除了光子晶體本身所具有的體積小易于集成、損耗小、功耗低、光場局域等優(yōu)點之夕卜，本方案中所陳述的光子晶體溫度傳感器陣列主要有以下幾個優(yōu)點:1、本方案中所提及的光子晶體溫度傳感器陣列的原理是基于單孔微腔與光子晶體Wl.15波導之間的高效耦合實現的。所述光子晶體Wl.15波導是加寬了的普通的線缺陷波導，所述單孔微腔是由改變介質柱半徑和平移設計完成的，結構相對簡單，在實際應用過程中可減小由于結構復雜帶來的誤差；2、本方案中通過合理的設計諧振腔的結構參數，使各個諧振腔的諧振頻率都處于Wl.15波導光子晶體導模所覆蓋的頻率范圍之內。可以保證輸出端光強足夠強，有利于實際探測和測量；3、本方案中設計的溫度傳感器陣列中，每個溫度傳感器的靈敏度不同，并且溫度靈敏度較高，探測的準確性更高。
[0022]本發(fā)明的原理如下:
[0023]本方案中一種基于四方晶格介質柱單孔微腔的高靈敏度光子晶體溫度傳感器陣列是基于二維光子晶體Wl.15波導與單孔微腔陣列之間高效耦合實現的。其基本原理是:當在光子晶體波導附近引入諧振腔陣列后，由于波導與諧振腔之間的耦合作用，導模中處于諧振頻率處的光就會局域到諧振腔內，當耦合強度很高時，透射譜中導模范圍內處于諧振頻率處的透射強度就會出現一個明顯的下墜。如果在此基礎上改變諧振腔周圍感知區(qū)域內的溫度，那么諧振腔周圍硅介質柱的折射率會發(fā)生改變，從而諧振頻率發(fā)生改變，就會導致輸出端透射譜中諧振峰值的偏移，通過測量分析諧振峰值偏移量的大小與溫度變化大小的關系，根據公式S = Δ λ/Λ T，可以得到相應光子晶體傳感器陣列的溫度靈敏度，其中，其中△ λ是諧振波長峰值的偏移量；AT是檢測區(qū)域內溫度的變化量。所以當在光子晶體波導附近引入多個不同的諧振腔之后，并且使得所有的諧振頻率都位于導模所覆蓋的頻率范圍之內，由于不同諧振腔對應的諧振頻率不同，并且各諧振腔的諧振頻率彼此之間相互獨立，相互間隔互不影響，所以透射譜中會產生與諧振腔個數相等的下墜，