CN104048942A - 一种波导垂直方向半径渐变型的微腔交错复用的光子晶体传感器阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用波导垂直方向半径渐变的光子晶体与四个微腔交错复用构成的传感器阵列的结构，属于光子晶体传感器技术领域。本发明首次将波导垂直方向半径渐变的光子晶体结构应用于传感器阵列结构的设计中，压缩了阵列结构的尺寸，为光子晶体传感器阵列的大规模集成提供了条件。本发明将波导垂直方向的空气孔半径从中间向两边渐变，在线缺陷波导两侧交错复用四个点缺陷微腔，在输出端的透射谱中可存在四个谐振下坠峰。每个微腔都具有高品质因数(～10⁴)和高透射率。同时每个微腔可以实现单独的传感功能且互不干扰。本发明中涉及的光子晶体传感器阵列结构具有可扩展性，并且可以同时检测多种分析物。

Description

一种波导垂直方向半径渐变型的微腔交错复用的光子晶体传感器阵列结构

技术领域

本发明涉及一种波导垂直方向半径渐变的光子晶体，采用四个谐振微腔交错耦合在线缺陷波导两侧，从而构成传感器阵列结构，属于光子晶体传感器技术领域。

背景技术

近几年来，光子晶体传感器以其小尺寸，高灵敏度的特性广泛应用在单片集成电路中，具有很强的研究价值。光子晶体传感器主要采用微腔，环型腔，槽波导，异质结构等多种结构类型实现传感功能。目前，光子晶体传感器的研究主要集中在生化传感器(文献1，A.Falco,L.Faolain,and T.Krauss,“Chemical sensingin slotted photonic crystal heterostructure cavities,”Appl.Phys.Lett.94,063503(2009))，压力传感器(文献2，D.Yang,H.Tian,N.Wu,Y.Yang,and Y.Ji,“Nanoscale torsion-free photonic crystal pressure sensor with ultra-high sensitivitybased on side-coupled piston-type microcavity,”Sensors and Actuators A199,30-36(2013))，折射率传感器(文献3，D.F.Dofner，T.Hurlimann，T.Zabel，L.H.Frandsen，G.Abstreiter，and J.J.Finley."Silicon photonic crystal nanostructures forrefractive index sensing,"Applied Physics Letters93,181103(2008))等等。

随着对光子晶体传感器的深入研究，光子晶体传感器阵列逐渐成为一个研究热点。阵列传感可以在高Q值和高灵敏度的条件下同时实现多种物质的传感检测。例如(文献4，S.Mandal and D.Erickson,“Nanoscale opto-fluidic sensor arrays,”Opt.Express16,1623-1631(2008))，首次提出了小尺寸的光子晶体传感器阵列，(文献5，K.B.Gylfason,C.F.Carlborg,A.Ka′zmierczak,F.Dortu and G.Stemme,“On-chip temperature compensation in an integrated slot-waveguide ring resonatorrefractive index sensor array,”Opt.Express18,3226-3237(2010))，主要介绍了利用集成槽波导实现折射率传感的阵列结构，(文献6，M.Iqbal,M.A.Gleeson,B.Spaugh,F.Tybor,and L.C.Gunn,“Label-free biosensor arrays based on silicon ringresonators and high-speed optical scanning instrumentation,”Journal Of SelectedTopics In Quantum Electronics16,654-661(2010))设计了一种采用环形谐振腔的生化传感器阵列结构。以上这些传感器阵列实现了同一硅基片上的集成传感，但是相对尺寸较大，而且可级联的传感器数目有限，不利于大规模集成电路的设计。

为了克服上述问题，本发明将波导垂直方向上半径渐变的光子晶体结构与微腔复用相结合构成传感器阵列。将刻蚀在光子晶体绝缘硅上的空气孔半径沿着垂直方向渐变，并在波导两侧交错引入多个谐振腔实现传感功能。本发明利用渐变型结构实现光子晶体传感器阵列，每个传感器相互独立，可单独优化，结构设计简单，制作难度低，实际操作过程中的容错率高。

本发明采用半径渐变型光子晶体结构实现传感阵列，设计不同光子晶体谐振腔结构交错耦合形成传感器阵列，压缩了阵列结构的尺寸，并且避免了波导级联间的耦合损失。同时本发明的传感阵列数目可以根据需要增加，在各个传感区域注入不同的分析探测物质，可以实现多种分析物的实时同步传感。

发明内容

本发明提出了一种波导垂直方向半径渐变的小尺寸光子晶体集成传感器阵列结构。该光子晶体传感器可以在半导体材料基板(SOI)上通过电子束曝光法等制作技术制备出半径渐变型的，具有交错谐振腔的三维光子晶体平板结构。通过微注入技术在光子晶体传感器阵列谐振腔周围的空气孔内注入分析物，当腔内的环境改变时，光子晶体的有效折射率改变，导致透射谱中的谐振下坠峰发生偏移，因此通过观察谐振峰的偏移量可以实现对光子晶体空气孔内分析物的检测。

本发明首先研究在半径渐变条件下的光子晶体单腔传感结构。当特定波长范围内的光进入光子晶体波导后，与谐振腔频率吻合的光会被局域在微腔内，其余光沿着波导继续传输，从而在输出端会检测到具有明显下坠峰的透射谱。然后将谐振腔周围的空气向两侧平移，可以发现透射谱中谐振频率发生偏移，同时微腔的品质因数(Q)值也发生改变。

在单个谐振腔的基础上，我们在半径渐变的光子晶体上沿着W1波导交错复用四个谐振腔构成传感器阵列结构。每个谐振腔具有不同的谐振频率，从而形成集成四个传感器的阵列。通过仿真软件对阵列结构进行仿真，得到透射图中产生四个下坠峰，与四个谐振腔的频率相吻合。然后分别在单个传感器中微注入分析物，发现只有折射率发生改变的谐振腔对应的谐振峰发生偏移，其他的保持不变。即每个传感器之间可以独立工作，互不干扰，从而实现了不同折射率液体的实时同步传感检测。

通过对仿真结果进行研究，在本发明的光子晶体结构中，由于采用波导垂直方向的半径渐变结构，得到的可用频带范围比传统结构的大，这为更多的微腔复用提供了条件。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种波导垂直方向半径渐变型微腔复用的光子晶体传感器阵列结构，其中：

该光子晶体传感器阵列结构是通过在半径渐变型光子晶体结构中引入四个交错型谐振腔实现的，该传感器基于三维光子晶体的三角晶格结构，其中三维光子晶体结构可以在半导体材料基板上通过电子束曝光法等技术制作。光子晶体的空气孔半径在波导垂直方向上沿中间向两边渐变，在渐变型的光子晶体结构中去掉中间的一行空气孔，引入W1波导线缺陷，然后在W1波导两侧交错地引入四个微腔形成阵列，其中，四个微腔均为去掉两个空气孔的L2腔结构。光沿着W1波导传输，与微腔频率匹配的光被局域在腔内，其他光则继续传输。

所述的光子晶体传感器结构是由一条光子晶体W1线缺陷波导和四个谐振腔构成，其中W1波导的宽度为3a，a是三角晶格光子晶体的晶格常数。

所述的三维光子晶体中，背景介质为硅，空气孔中是空气。

所述的三维光子晶体中，晶格常数为a＝414nm，结构厚度为T＝0.53a，半径渐变型结构的空气孔的半径分别为r1＝0.32a,r2＝0.28a。

所述的背景介质硅的折射率为3.48，空气孔的折射率为1.00。

所述的光源的中心频率ω0＝0.30(2πc/a)。

所述的谐振腔的设计是去掉两个空气孔的L2型微腔。

所述的四个谐振腔的排列是在靠近W1波导两侧的第二行上下交错的。

所述光子晶体传感器的折射率灵敏度(S)可以示为：S＝ΔλΔn，其中Δλ是谐振波长峰值的偏移量；Δn是感知区域内折射率的变化量。当感知区域内折射率发生变化时，谐振腔的谐振频率也随之发生偏移，通过测量和分析透射谱中谐振波长峰值的偏移变化，即可得到光子晶体传感器的灵敏度。

与传统结构相比本发明有如下优点：

本发明中所提及的一种半径渐变型的交错微腔耦合的光子晶体传感器阵列结构是利用在波导垂直方向上不同半径空气孔的渐变改变了光子晶体的周期性，相比于传统光子晶体结构具有更宽的可用频率范围。在W1波导两侧交错引入L2谐振腔，光主要局域在腔内，使得微腔的品质因数(Q)可以达到104，在输出端的透射谱中得到的四个谐振峰均具有高透射率，通过向光子晶体传感器阵列结构微腔周围的空气孔中注入不同折射率的分析物，可以实现对不同分析物折射率的实时、同步检测，并且具有高透射率的谐振峰在实际的传感探测中有利于差错检测。

此外，采用半径渐变型的光子晶体结构，设计多个微腔沿W1波导耦合级联，压缩了结构的尺寸大小。这种结构设计具有很强的可扩展性，利于集成使用，在光子晶体传感器阵列的实际应用中可操作性，可实用性都有了很大的提升。

本发明的原理如下：

本发明中所涉及的一种采用半径渐变型结构的多个微腔复用的光子晶体传感器阵列结构是通过在波导垂直方向半径渐变的三维光子晶体的W1波导两侧交错引入四个相同类型的微腔，但是微腔周围的空气孔发生不同程度的平移，因此四个微腔的谐振频率均不相同，在最后的输出端的透射谱中可以得到四个谐振下坠峰，在四个微腔周围的空气孔中分别注入分析物，引起四个谐振峰发生偏移从而实现传感。其基本原理是：光从一端进入到波导中，与微腔频率吻合的光会分别被局域在微腔内，在波导另一端的输出透射谱中形成四个谐振下坠峰。当在某个微腔周围的空气孔中注入分析物后，会改变微腔的等效折射率，从而影响微腔的谐振频率发生改变，反映在透射谱上就是其相应的谐振峰位置发生偏移，而其他谐振峰的位置保持不变。由于四个微腔之间独立工作，所以四个下坠峰之间的偏移互不影响，从而可以同时对多种分析物进行传感，即可实现多种物质的阵列传感。由于波导垂直方向半径渐变的结构具有较宽的工作频带，因此可以容纳更多的谐振峰实现大规模阵列传感。

附图说明

以下各图所取的光子晶体传感器阵列结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是波导垂直方向半径渐变的单腔光子晶体传感器结构模型示意图，其中包括半径渐变型的光子晶体平板，W1波导和单个L2微腔。晶格常数a＝414nm，结构厚度为T＝0.53a，半径渐变型结构的空气孔的半径为r1＝0.32a,r2＝0.28a。介质硅的折射率nsi＝3.48。L2微腔是在W1波导下侧第二行去掉两个空气孔得到。通过将腔周围的空气孔向两侧平移sx可以优化腔结构性能。

图2是当L2微腔两侧的空气孔的平移量sx从0到0.2a以0.05a的间隔变化时，传感器结构的透射图。随着平移量的增大，谐振频率向低频移动。

图3是空气孔的偏移与谐振频率，品质因数的关系曲线图。正方形标记对应谐振频率，随着平移量增大，谐振频率向低频移动；三角形标记对应品质因数，Q值会随着平移量的增加，先增大，到达最大值后再减小。

图4是波导垂直方向半径渐变的微腔复用的光子晶体传感器阵列结构模型示意图。阵列结构由四个L2微腔沿W1波导交错耦合构成。基本结构参数与图1一致。谐振腔1-4分别对应不同的空气孔平移量sx。谐振腔-1：sx＝-0.05a；谐振腔-2：sx＝0；谐振腔-3：sx＝0.15a；谐振腔-4：sx＝0.35a。

图5是本发明中的光子晶体传感器阵列结构在空气条件下得到的透射图。四个谐振峰的波长分别为1546nm，1550nm，1552nm，1556nm。

图6是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-2改变微腔周围的空气孔的折射率，折射率分别为1.0、1.06、1.08、1.1和1.12，而其他的传感器微腔的空气孔折射率不变条件下得到的透射谱。对应的曲线颜色为实线，虚线，虚线加点，实线加点，虚线加星。

图7是本发明中的光子晶体传感器阵列结构在仅有谐振腔-4处于水环境中，其他谐振腔保持在空气环境中不变条件下得到的透射图，该透射图用虚线表示。实线对应的是传感器阵列的所有谐振腔都在空气中的透射图。可以发现只有谐振腔-4的谐振波长发生偏移，其余的谐振波长保持不变。

具体实施方式

本发明中的光子晶体传感器阵列结构模型示意图如图4所示，其中包括波导垂直方向半径渐变的光子晶体平板，W1波导和四个交错的微腔。微腔均是在W1波导上下两侧第二行去掉两个空气孔得到。晶格常数a＝414nm，结构厚度为T＝0.53a，半径渐变型结构的空气孔的半径为r1＝0.32a,r₂＝0.28a。介质硅的折射率n_si＝3.48。

由于空气孔折射率的不同会影响微腔谐振频率的变化，因此可以通过设计向空气孔注入不同折射率的探测物来构成多种分析物检测的光子晶体传感器阵列。微腔类型的选择对阵列结构的传感性能都有影响，因此我们选择具有高Q值的L2微腔，其Q值可以达到4×10⁴。将具高Q值和高透射率的四个L2微腔交错耦合形成传感阵列结构。

1、设计交错型微腔的垂直方向渐变型光子晶体的基本结构。

如图1所示，是具有单个L2微腔的半径渐变型光子晶体基本结构。晶格常数a＝414nm，结构厚度为T＝0.53a，半径渐变型结构的空气孔的半径为r1＝0.32a,r2＝0.28a。通过优化微腔两侧的空气孔向外平移量的大小，利用时域有限差分法对不同平移量条件下的结构进行仿真，得到具有不同谐振频率优化型L2微腔。如图2所示的具有不同平移量的透射谱。

为了得到阵列结构，我们需要将具有高Q值和不同谐振频率的L2微腔进行交错耦合。图3表示了不同平移量对应的谐振频率及Q值得变化。当空气孔向两侧的平移量增大时，谐振频率向低频移动，同时Q值逐渐增大，到达最大值以后再逐渐减小。考虑到传感器阵列中的谐振峰之间要有一定的间隔避免干扰，同时又要具有高Q值，本发明选择具有合适平移量的L2微腔复用到波导垂直方向半径渐变的光子晶体中。

2、设计多个微腔交错级联的光子晶体传感器阵列结构，并分析其阵列传感的性能。

在上述基本结构的基础上将4个L2微腔交错复用在W1波导两侧，如图4所示的结构。利用时域有限差分法对该结构进行仿真，将中心频率为0.3(2πc/a)的TE模的光源从波导的一侧水平射入，在波导另一侧得到如图5所示的透射谱，在波导输出端的透射谱中可以看到四个明显的谐振峰。利用微注入技术可以在介质背景空气孔结构的光子晶体空气孔中注入不同折射率的液体，改变空气孔的折射率n，从而实现传感，如图6所示，当只改变谐振腔-2中微腔周围空气孔的折射率分别为1.0、1.06、1.08、1.1和1.12，而其他的传感器微腔的空气孔折射率不变，仿真得到透射谱中只有谐振腔-2的谐振峰发生偏移，而其他微腔的谐振峰不变。并且折射率改变量越大，透射谱中的谐振波长偏移的距离就越大，从而说明每个光子晶体传感器都可以进行独立传感，能够同时对多种不同折射率的分析物进行检测。随后仅将谐振腔-4周围的空气孔注入水，其他的谐振腔保持空气条件不变，透射图如图7所示。可以发现，仅有谐振峰-4的谐振波长发生偏移。根据本原理，可以快速得到不同液体的折射率，从而推断待测液体的相关性质或参数，进行传感。通过公式S＝ΔλΔn计算，谐振波长的偏移与空气孔内的折射率变化有线性关系，本发明中的光子晶体传感器的灵敏度S＝100nm/RIU，其中，RIU表示折射率变化量为1。

Claims (4)

1.一种波导垂直方向半径渐变型的微腔交错复用的光子晶体传感器阵列结构。其中：该光子晶体传感器阵列结构是基于三维光子晶体的波导垂直方向空气孔半径渐变的三角晶格结构。空气孔的半径在波导垂直方向上由中间向两侧逐渐减小。在光子晶体中心线缺陷波导两侧交错引入四个微腔实现级联，通过向微腔周围的空气孔中注入分析物实现传感。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于利用波导垂直方向半径渐变型光子晶体实现传感器阵列的设计。本方案中采用半径渐变型结构，拓宽了可用工作频宽的范围，减小了带宽对微腔复用的限制。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于微腔具有较高的品质因数和透射率，交错微腔具有不同的谐振频率，在传感器阵列结构的设计中可以实现更多微腔的复用，实际应用中会避免传感探测可能存在的差错。

4.根据权利要求1,2,3所述的结构，其特征在于通过测量输出端透射谱中谐振峰的偏移量来完成对不同分析物的感知、检测和分析。实现同时检测多种分析物的功能，每个传感器在检测不同折射率的分析物时，均可完成无串扰的单独传感。