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(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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(shù)領(lǐng)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(dāng)一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時(shí)被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經(jīng)過(guò)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(jīng)N×1的S型功率合成器合成一束光波輸出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，解調(diào)簡(jiǎn)單，實(shí)際制作簡(jiǎn)單，具有光子晶體體積小、損耗低、功耗低、光場(chǎng)局域性良好等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)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(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體集成傳感器技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]目前，超小型高靈敏度生化傳感器在多種應(yīng)用方面具有巨大吸引力，如醫(yī)療診斷、藥物開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療保障和食品安全，而光學(xué)傳感技術(shù)是進(jìn)行靈敏、實(shí)時(shí)、無(wú)標(biāo)記生物分子檢測(cè)的最流行的方法之一。在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種不同諧振模式的光子結(jié)構(gòu)作為光學(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xué)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(fù)用傳感檢測(cè)和集成應(yīng)用程序方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，Mandal等人展示了一種基于一維光子晶體微腔側(cè)耦合的硅波導(dǎo)位于帶狀波導(dǎo)旁邊的納米光電流體傳感器陣列(文獻(xiàn)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(xiàn)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(xué)生物傳感器陣列dD.Yang等人證明了基于串聯(lián)的HO微腔側(cè)耦合到二維光子晶體波導(dǎo)的二維(20)光子晶體集成傳感器陣列(文獻(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shí)檢測(cè)到，將導(dǎo)致設(shè)備校準(zhǔn)困難且成本昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述缺點(diǎn)和局限性，同時(shí)由于一維光子晶體納米梁微腔在光波導(dǎo)及電路中超高的緊湊性和可集成性，使其在集成芯片領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，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(shù)(FOM)提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(kuò)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(dāng)一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時(shí)被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經(jīng)過(guò)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(jīng)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(diǎn):
[0005]1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，解調(diào)簡(jiǎn)單，實(shí)際制作簡(jiǎn)單，同類(lèi)高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)模型都是基于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，而且對(duì)于維納加工制備技術(shù)精度要求非常高不利于光子晶體傳感器的實(shí)際制作；
[0006]2.本發(fā)明可以保留用于實(shí)現(xiàn)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(duì)一維光子晶體納米束微腔傳感器的性能沒(méi)有影響，例如Q值，諧振峰位置，靈敏度等。
[0008]4.可擴(kuò)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高了一維光子晶體納米梁微腔傳感器陣列的復(fù)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(xué)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(chǎng)局域性良好等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)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(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2中從上到下四個(gè)圖分別為三個(gè)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(zhǎng)隨折射率的變化曲線(xiàn)，斜率即傳感器的靈敏度。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(dāng)一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時(shí)被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經(jīng)過(guò)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(jīng)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(dǎo)構(gòu)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(biāo)諧振波，其他不必要的諧振模式被過(guò)濾掉。環(huán)境折射率改變，會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件透射譜偏移，或者諧振角度變化。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)偏移量或者角度變化量，即可實(shí)現(xiàn)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(fù)用納米梁微腔傳感陣列的實(shí)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(dǎo)的介質(zhì)是硅，背景介質(zhì)是空氣。其中硅波導(dǎo)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(dǎo)構(gòu)成，每條傳感分支上，娃波導(dǎo)的寬度w = 70nm，厚度h = 2 20nm，親合進(jìn)娃波導(dǎo)中的空氣孔A的數(shù)目N為偶數(shù)，N = 6，且所有空氣孔A半徑相同均為ri = 90nm，相鄰兩個(gè)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(gè)耦合進(jìn)硅波導(dǎo)的半徑變化的空氣孔B構(gòu)成，硅波導(dǎo)的寬度w = 70nm，厚度h = 220nm，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈中心對(duì)稱(chēng)，在對(duì)稱(chēng)軸的每一側(cè)各有5個(gè)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(gè)空氣孔的半徑為reenter = 120nm，末端空氣孔的半徑為rend = 85nm，從中心開(kāi)始的第i個(gè)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(cè)空氣孔B的數(shù)量。相鄰兩個(gè)空氣孔B中心之間的距離a2 = 330nm。
[0021]通過(guò)仿真軟件對(duì)本發(fā)明的陣列傳感器的能帶圖、場(chǎng)圖和透射譜進(jìn)行仿真，得到每個(gè)傳感分支的透射圖，如圖2所不，三個(gè)傳感分支都有且只有一個(gè)諧振峰，三個(gè)傳感分支的諧振波長(zhǎng)分別為:1482nm、1518nm和1549nm。傳感陣列的透射譜圖為三個(gè)傳感分支透射譜圖的疊加，整個(gè)傳感陣列的透射譜中只有三個(gè)諧振峰，有利于實(shí)現(xiàn)高密度復(fù)用傳感陣列。
[0022]從圖3可以看出三個(gè)傳感分支都有且只有一個(gè)諧振峰，諧振波長(zhǎng)分別在1482nm、1518nm和1549nm，整個(gè)傳感陣列的透射譜中只有三個(gè)諧振峰，有利于實(shí)現(xiàn)高密度復(fù)用傳感陣列。改變其中S2支路周?chē)h(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(zhǎng)隨折射率的變化而變化明顯，SI與S3無(wú)變化，從而說(shuō)明三條傳感分支的諧振波相互獨(dú)立。
[0023]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高性能微納傳感器，其Q值高達(dá)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(shí)現(xiàn)了高Q值和高靈敏度的一維光子晶體集成傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅提高了集成性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，而且提高了在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試過(guò)程中的精確度。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(dāng)一束光從單輸入單輸出光纖系統(tǒng)的入射口射入時(shí)被功率分束器分成等功率的N條光路，分別經(jīng)過(guò)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(jīng)NX I的S型功率合成器合成一束光波輸出。2.根據(jù)權(quán)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(dǎo)的介質(zhì)是硅，背景介質(zhì)是空氣，其中硅波導(dǎo)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(jù)權(quán)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(dǎo)的寬度W =70nm，厚度h = 220nm，耦合進(jìn)硅波導(dǎo)中的空氣孔A的數(shù)目M為偶數(shù)，且所有空氣孔A半徑相同均為ri = 90nm，相鄰兩個(gè)空氣孔A中心之間的距離相等。4.根據(jù)權(quán)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(shù)目M為6，相鄰兩個(gè)空氣孔A中心之間的距離&1 = 390nm。5.根據(jù)權(quán)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(gè)耦合進(jìn)硅波導(dǎo)的半徑變化的空氣孔B構(gòu)成，硅波導(dǎo)的寬度w = 70nm，厚度h = 220nm，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱(chēng)，在對(duì)稱(chēng)軸的每一側(cè)各有P/2個(gè)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(gè)空氣孔的半徑為:Tcenter = 120nm，末端空氣孔的半徑為rend = 85nm，每一側(cè)從中心開(kāi)始的第i個(gè)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(cè)空氣孔B的數(shù)量;相鄰兩個(gè)空氣孔B中心之間的距離相等。6.根據(jù)權(quán)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(shù)量為P = 10，相鄰兩個(gè)空氣孔B中心之間的距離a2 = 330nm。
【文檔編號(hào)】G01D5/26GK105973275SQ201610274150
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】楊大全, 楊玉潔, 紀(jì)越峰
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)