一種基于四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體Wl.15波導(dǎo)與9個(gè)單孔微腔耦合構(gòu)成溫度傳感器陣列的實(shí)現(xiàn)方法，屬于光子晶體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體自上個(gè)世紀(jì)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(diào)制、濾波、傳感方面有廣泛的應(yīng)用。而光子晶體傳感器以其高靈敏度、尺寸小、低功耗等特點(diǎn)，在傳感器領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)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(xiàn) 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(xiàn) 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(xiàn) 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(xiàn) 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(shù)的發(fā)展和實(shí)際的應(yīng)用需要，光子晶體傳感器陣列越來(lái)越受到關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。例如(文獻(xiàn) 6，S.Mandal and D.Erickson, uNanoscale optof luidic sensor arrays，，，OpticsExpress 16 (3)，1623 - 1631，(2008))，設(shè)計(jì)了由許多塊單排孔光子晶體組合構(gòu)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(shí)現(xiàn)的，從而影響集成度D 通過(guò)改進(jìn)，(文獻(xiàn) 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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)與單孔微腔結(jié)合構(gòu)成溫度傳感器陣列。設(shè)計(jì)9個(gè)不同半徑和偏移構(gòu)成的單孔微腔結(jié)構(gòu)與Wl.15波導(dǎo)進(jìn)行耦合形成傳感器陣列，增加了陣列傳感器傳感數(shù)目。當(dāng)各個(gè)傳感區(qū)域溫度分別產(chǎn)生變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感區(qū)域的實(shí)時(shí)同步溫度傳感。

【發(fā)明內(nèi)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(zhì)柱型光子晶體模塊上，實(shí)現(xiàn)了 9個(gè)單孔微腔同時(shí)進(jìn)行傳感的光子晶體溫度傳感器陣列結(jié)構(gòu)。該光子晶體溫度傳感器可以在半導(dǎo)體材料基板(SOI)上通過(guò)電子束曝光法等制作技術(shù)制備出Wl.15波導(dǎo)和9個(gè)單孔微腔進(jìn)行耦合的二維四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)改變光子晶體傳感器陣列某個(gè)微腔周圍溫度時(shí)，硅介質(zhì)柱的折射率會(huì)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(shí)硅的折射率)，從而導(dǎo)致透射譜中相應(yīng)的諧振下墜峰發(fā)生偏移，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度的感知和檢測(cè)。
[0005]本發(fā)明首先研宄Wl.15波導(dǎo)和單個(gè)單孔微腔耦合實(shí)現(xiàn)溫度傳感的結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成單孔微腔的功能介質(zhì)柱半徑和偏移一定時(shí)，該微腔的諧振頻率固定。當(dāng)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光進(jìn)入光子晶體波導(dǎo)后，與諧振腔頻率吻合的光會(huì)被局域在微腔內(nèi)，其余光沿著波導(dǎo)繼續(xù)傳輸，從而在輸出端會(huì)檢測(cè)到具有明顯下墜峰的透射譜。
[0006]在單個(gè)諧振腔的基礎(chǔ)上，在Wl.15波導(dǎo)兩側(cè)相繼耦合9個(gè)半徑和偏移不同的單孔微腔構(gòu)成的溫度傳感器陣列結(jié)構(gòu)。每個(gè)諧振腔具有不同的諧振頻率，從而形成傳感器陣列。通過(guò)仿真軟件對(duì)陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到透射圖中產(chǎn)生9個(gè)下墜峰，且與9個(gè)諧振腔的頻率相吻合。然后分別改變單個(gè)傳感器微腔周圍的溫度，發(fā)現(xiàn)只有溫度發(fā)生改變的諧振腔對(duì)應(yīng)的諧振峰發(fā)生偏移，其他的保持不變。即每個(gè)傳感器之間可以獨(dú)立工作，互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)了不同溫度的實(shí)時(shí)同步傳感檢測(cè)。
[0007]本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]一種基于四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)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(zhì)柱二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)可以在半導(dǎo)體材料基板(SOI)上通過(guò)光深度刻蝕法等制作技術(shù)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(dǎo)和9個(gè)半徑以及偏移不同的單孔微腔組成的陣列構(gòu)成，其中Wl.15波導(dǎo)的寬度為2.3a，a是四方晶格光子晶體的晶格常數(shù)。
[0011]所述的二維光子晶體中，背景介質(zhì)為空氣，介質(zhì)柱是硅。
[0012]所述的二維光子晶體中，晶格常數(shù)為a = 600nm，介質(zhì)柱的半徑為r = 0.18a。
[0013]所述的介質(zhì)柱硅的折射率為3.4，背景介質(zhì)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(shè)計(jì)是改變介質(zhì)柱半徑和偏移形成的單孔微腔。
[0016]所述的9個(gè)諧振腔的排列是在Wl.15波導(dǎo)兩側(cè)排列的。
[0017]所述9個(gè)光子晶體微腔是通過(guò)兩個(gè)方面的參數(shù)變化來(lái)設(shè)計(jì)完成的，一是改變形成微腔的功能介質(zhì)柱的半徑；二是在垂直于波導(dǎo)方向上將功能介質(zhì)柱及其上一個(gè)介質(zhì)柱向著遠(yuǎn)離波導(dǎo)的方向偏移。通過(guò)具體設(shè)計(jì)每個(gè)諧振腔的參數(shù)，使得每個(gè)諧振腔的諧振頻率彼此能夠分開(kāi)并且都位于由線缺陷所產(chǎn)生的導(dǎo)模所覆蓋頻率范圍之內(nèi)，以便透射譜的測(cè)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(zhǎng)峰值的偏移量；AT是感知區(qū)域內(nèi)溫度的變化量。當(dāng)感知區(qū)域內(nèi)溫度發(fā)生變化時(shí)，諧振腔的諧振頻率也隨之發(fā)生偏移，通過(guò)測(cè)量和分析透射譜中諧振波長(zhǎng)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(diǎn):
[0020]本方案中所提及的一種基于四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體的溫度傳感器陣列結(jié)構(gòu)是一種基于二維光子晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)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(dǎo)之間實(shí)現(xiàn)高效耦合來(lái)設(shè)計(jì)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(zhì)柱型二維光子晶體模塊上實(shí)現(xiàn)。
[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(chǎng)局域等優(yōu)點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn):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(dǎo)之間的高效耦合實(shí)現(xiàn)的。所述光子晶體Wl.15波導(dǎo)是加寬了的普通的線缺陷波導(dǎo)，所述單孔微腔是由改變介質(zhì)柱半徑和平移設(shè)計(jì)完成的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可減小由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)的誤差；2、本方案中通過(guò)合理的設(shè)計(jì)諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使各個(gè)諧振腔的諧振頻率都處于Wl.15波導(dǎo)光子晶體導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)?？梢员ＷC輸出端光強(qiáng)足夠強(qiáng)，有利于實(shí)際探測(cè)和測(cè)量；3、本方案中設(shè)計(jì)的溫度傳感器陣列中，每個(gè)溫度傳感器的靈敏度不同，并且溫度靈敏度較高，探測(cè)的準(zhǔn)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(zhì)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(dǎo)與單孔微腔陣列之間高效耦合實(shí)現(xiàn)的。其基本原理是:當(dāng)在光子晶體波導(dǎo)附近引入諧振腔陣列后，由于波導(dǎo)與諧振腔之間的耦合作用，導(dǎo)模中處于諧振頻率處的光就會(huì)局域到諧振腔內(nèi)，當(dāng)耦合強(qiáng)度很高時(shí)，透射譜中導(dǎo)模范圍內(nèi)處于諧振頻率處的透射強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的下墜。如果在此基礎(chǔ)上改變諧振腔周圍感知區(qū)域內(nèi)的溫度，那么諧振腔周圍硅介質(zhì)柱的折射率會(huì)發(fā)生改變，從而諧振頻率發(fā)生改變，就會(huì)導(dǎo)致輸出端透射譜中諧振峰值的偏移，通過(guò)測(cè)量分析諧振峰值偏移量的大小與溫度變化大小的關(guān)系，根據(jù)公式S = Δ λ/Λ T，可以得到相應(yīng)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(zhǎng)峰值的偏移量；AT是檢測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度的變化量。所以當(dāng)在光子晶體波導(dǎo)附近引入多個(gè)不同的諧振腔之后，并且使得所有的諧振頻率都位于導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)，由于不同諧振腔對(duì)應(yīng)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(dú)立，相互間隔互不影響，所以透射譜中會(huì)產(chǎn)生與諧振腔個(gè)數(shù)相等的下墜，