CN106644158A - 一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器 - Google Patents

一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器 Download PDF

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Abstract

一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，涉及温度传感器。设有光子晶体T型波导、4个L3型微腔和4个线型波导；光子晶体T型波导输入端用于射入光源，光子晶体T型波导输出端分别与4个L3型微腔耦合，4个L3型微腔具有不同的谐振频率，并分别产生4个不同的谐振波峰，4个L3型微腔的不同谐振频率的光耦合进入对应的4个线型波导中，4个线型波导通过探测器接收到4个不同的谐振波峰的透射谱。体积小，易于集成；T型波导与微腔的耦合使温度感知区域之间存在距离，减小不同区域内的温度串扰；通过透射谱的谐振波峰偏移检测温度变化，灵敏度高；实现温度传感阵列，可应用于片上实验室或片上系统中不同微小区域的温度实时测量。

Description

一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器
技术领域
本发明涉及温度传感器，尤其是涉及一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器。
背景技术
光子晶体是一种具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。由于光子晶体具有的光子禁带和光子局域等特性，其被广泛应用于传感领域。目前光子晶体传感器的研究主要集中于光子晶体压力传感器、生物传感器和折射率传感器，而光子晶体温度传感器的研究相对较少。与传统温度传感器相比，光子晶体温度传感器具有体积小，灵敏度高，易于集成等优点。其中，(文献1，C.S.Mallika,Indira Bahaddur,P.C.Srikanth,Preeta Sharan，Photonic crystal ring resonator structure for temperature measurement，Optik，2015(126):2252-2255)，利用光子晶体波导与环形腔耦合，环形腔的设计相较于其他光子晶体和光纤传感器，灵敏度有显著的提高；(文献2，Abdesselam Hocini,Ahlam Harhouz,Modeling and analysis of the temperature sensitivity in two-dimensionalphotonic crystal microcavity,Journal of Nanophotonics,2016,10(1):016007-1-10)，基于微腔的介质柱数目和半径，对光子晶体温度传感器的灵敏度进行优化，最终优化结果灵敏度为84pm/℃。上述光子晶体温度传感器都是单直线波导与微腔耦合构成，为单传感测量，无法满足片上实验室或片上系统中不同微小区域的多点温度实时测量要求。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现4个微小区域实时同步温度传感的一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器。
本发明设有光子晶体T型波导、4个L3型微腔和4个线型波导；
所述光子晶体T型波导的输入端用于射入光源，光子晶体T型波导的输出端分别与4个L3型微腔耦合，4个L3型微腔具有不同的谐振频率，并分别产生4个不同的谐振波峰，4个L3型微腔的不同谐振频率的光耦合进入对应的4个线型波导中，4个线型波导通过探测器接收到4个不同的谐振波峰的透射谱。
所述光子晶体T型波导可采用四方晶格介质柱光子晶体T型波导；所述光子晶体中的背景介质可为空气，所述介质柱的材料可采用硅。
所述光子晶体中，晶格常数a为400nm，介质柱的半径r＝0.3a。
所述介质柱的相对介电常数为11.9，背景介质空气的折射率为1.00。
所述4个L3型微腔是改变临近L3型微腔的两个介质柱的半径而形成的，半径分别为r’＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通过设计使每个微腔的谐振频率相互独立，并且都位于光子晶体T型波导导模所覆盖的频率范围之内，便于透射谱的分析。
本发明首先利用平面波展开法计算硅基的光子晶体能带；设计光子晶体T型波导，使得温度感知区域之间有一定距离，减小不同区域内的温度串扰；设计光子晶体L3型微腔，利用时域有限差分法对微腔的谐振特性进行仿真。根据公式S＝Δλ/ΔT，得出相应光子晶体温度传感器的灵敏度，其中Δλ表示谐振波峰的偏移量；ΔT表示感知区域内温度的变化量。
在光子晶体T型波导附近引入4个不同的L3型微腔。当光源从T型波导输入端射入时，通过光子晶体T型波导分别与4个不同的L3型微腔耦合。由于每个L3型微腔具有不同的谐振频率，产生4个不同的谐振波峰。4个不同谐振频率的光耦合进入对应的线型波导中，从而通过探测器接收到4个不同谐振波峰的透射谱。
当分别改变某个温度感知区域内的温度时，由于热光效应，光子晶体折射率会随温度而线性改变(线性变化可以由公式n(T)＝n0+αΔT表示，其中n0表示温度为0℃时硅的折射率，α表示光子晶体的热光系数，ΔT表示感知区域内温度的变化量)；同时由于热膨胀，硅介质柱会因受热而产生形变，假设硅自由膨胀，各个方向产生相同的线应变(线应变可以由公式ξ＝εΔT表示，其中ε表示硅的热膨胀系数，ΔT表示感知区域内温度的变化量)。从而导致透射谱中对应的L3型微腔的谐振波峰发生偏移，其他微腔的谐振波峰保持不变。即每个传感区域可以独立工作，互不干扰，从而实现了微小区域内不同温度的实时监测。
本发明是基于四方晶格介质柱光子晶体波导与微腔耦合实现的，由四方晶格介质柱光子晶体T型波导、4个不同的L3型微腔和4个线型波导耦合而成。其中光子晶体波导与微腔结构可以在硅片上通过FIB(聚焦离子束)或EBL(电子束曝光)实现。
所述光子晶体T型波导提供了四个不同的温度测量区域。T型波导与微腔的耦合使得温度感知区域之间存在一定的距离，减小不同区域间的温度串扰。
所述光子晶体温度传感器，利用测量区域内温度改变对介质柱产生线应变及光子晶体折射率的改变，根据透射谱中的谐振波峰的偏移量来完成对不同区域温度变化的检测。
所述光子晶体温度传感器具有较高的灵敏度，为61.5pm/℃。灵敏度(S)可表示为：S＝Δλ/ΔT，其中△λ是谐振波峰的偏移量；△T是感知区域内温度的变化量。当感知区域内温度发生变化时，微腔的谐振频率也随之发生变化，通过测量和分析透射谱中谐振波峰的偏移量，即可得到光子晶体温度传感器的灵敏度S。
本发明首次提出利用四方晶格介质柱型光子晶体T型波导与4个L3型微腔耦合构成的温度传感器，实现4个微小区域实时同步温度传感。
与传统方法相比，本发明有如下优点：
1.体积小，易于集成；2.T型波导与微腔的耦合使得温度感知区域之间存在一定的距离，减小不同区域内的温度串扰；3.通过透射谱的谐振波峰偏移检测温度变化，灵敏度高；4.实现温度传感阵列，可应用于片上实验室或片上系统中不同微小区域的温度实时测量。
附图说明
图1是本发明的结构模型示意图。其中包含光子晶体T型波导1、4个L3型微腔2和4个线型波导3，其中晶格常数a为400nm，介质柱的半径r为120nm，L3型微腔临近介质柱半径r’，分别为0.3a,0.26a,0.18a,0.16a；介质柱(硅)的相对介电常数为11.9，背景介质空气的折射率为1.00。
图2是本发明的应用示意图。其中包含本发明所述介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器、光源A和探测器B。
图3是本发明在温度为0℃时的透射谱。4个L3型微腔的谐振波长分别为1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。
图4是本发明改变第4个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图5是本发明改变第3个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图6是本发明改变第2个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图7是本发明改变第1个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图8是本发明的整体测量系统，包括1550nm激光器81、第一透镜光纤82、光子晶体温度传感器芯片83、第二透镜光纤84、光谱仪85、计算机86。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明实施例的结构模型如图1所示，本发明实施例设有光子晶体T型波导1、4个L3型微腔2和4个线型波导3；所述光子晶体T型波导1的输入端用于射入光源，光子晶体T型波导1的输出端分别与4个L3型微腔2耦合，4个L3型微腔2具有不同的谐振频率，并分别产生4个不同的谐振波峰，4个L3型微腔2的不同谐振频率的光耦合进入对应的4个线型波导3中，4个线型波导3通过探测器接收到4个不同的谐振波峰的透射谱。
所述光子晶体T型波导1可采用四方晶格介质柱光子晶体T型波导；所述光子晶体中的背景介质可为空气，所述介质柱的材料可采用硅。
所述光子晶体中，晶格常数a为400nm，介质柱的半径r＝0.3a。
所述介质柱的相对介电常数为11.9，背景介质空气的折射率为1.00。
所述4个L3型微腔是改变临近L3型微腔的两个介质柱的半径而形成的，半径分别为r’＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通过设计使每个微腔的谐振频率相互独立，并且都位于光子晶体T型波导导模所覆盖的频率范围之内，便于透射谱的分析。
其中包含了T型光子晶体波导和4个结构不同的L3型光子晶体微腔。其中对与L3型微腔临近的两个介质柱半径进行改变，半径为r’。晶格常数为400nm，介质柱半径为120nm，背景空气折射率为1.0，介质柱硅的折射率为nsi＝sqrt(11.9)。当与L3型微腔临近的两个介质柱半径改变时，谐振腔的谐振波峰都会随之变化。通过设计使得每个微腔的谐振频率之间相互独立，并且都位于光子晶体T型波导导模所覆盖的频率范围之内，便于透射谱的分析。
图2给出本发明的应用示意图。其中包含本发明所述介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器、光源A和探测器B。
图3给出本发明在温度为0℃时的透射谱。4个L3型微腔的谐振波长分别为1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。
图4给出本发明改变第4个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图5给出本发明改变第3个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图6给出本发明改变第2个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图7给出本发明改变第1个L3型微腔周围的温度，而其他L3型微腔周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。
图8给出本发明的整体测量系统，包括1550nm激光器81、第一透镜光纤82、光子晶体温度传感器芯片83、第二透镜光纤84、光谱仪85、计算机86；1550nm脉冲光从激光器81中射出，通过第一透镜光纤82耦合进光子晶体温度传感器芯片83的前端波导之中，在后端波导之中再次利用第二透镜光纤84引出，连接至光谱仪85上，调节1550nm激光器81的光波长，记录光谱仪85上的数据，利用计算机86进行滤波处理后得到平整的透射光谱。
本发明将热膨胀效应和热光效应对硅的影响引入到光子晶体微腔谐振模式的计算，得出透射谱中谐振峰值的偏移量与温度的关系，从而得到光子晶体温度传感器的灵敏度。在光子晶体T型波导附近引入多个不同的L3型微腔，并且使得所有微腔的谐振频率都位于波导导模所覆盖的频率范围之内。由于不同的L3型微腔对应的谐振频率不同，并且各个微腔的谐振频率相互独立，所以透射谱中会产生与L3型微腔个数相同的波峰，从而实现光子晶体温度传感。相较于其他光子晶体温度传感器，本发明通过T型波导与L3型微腔的耦合使得温度感知区域之间存在一定的距离，减小不同区域间的温度串扰。由于该传感器体积小，灵敏度高，易于集成等优点，可应用于片上实验室或片上系统中不同微小区域的温度实时测量。

Claims (8)

1.一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于设有光子晶体T型波导、4个L3型微腔和4个线型波导；
所述光子晶体T型波导的输入端用于射入光源，光子晶体T型波导的输出端分别与4个L3型微腔耦合，4个L3型微腔具有不同的谐振频率，并分别产生4个不同的谐振波峰，4个L3型微腔的不同谐振频率的光耦合进入对应的4个线型波导中，4个线型波导通过探测器接收到4个不同的谐振波峰的透射谱。
2.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述光子晶体T型波导采用四方晶格介质柱光子晶体T型波导。
3.如权利要求1或2所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述光子晶体中的背景介质为空气。
4.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述介质柱的材料采用硅。
5.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述光子晶体中，晶格常数a为400nm，介质柱的半径r＝0.3a。
6.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述介质柱的相对介电常数为11.9。
7.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于背景介质空气的折射率为1.00。
8.如权利要求1所述一种介质柱型光子晶体波导与微腔耦合的温度传感器，其特征在于所述4个L3型微腔是改变临近L3型微腔的两个介质柱的半径而形成的，半径分别为r’＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。
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