CN111157491B - 一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构 - Google Patents
一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，所述阵列传感结构基于空气孔呈三角晶格的二维光子晶体结构进行设计的，所述二维光子晶体结构为圆形空气柱在硅板上呈三角形晶格进行周期排列而形成的二维光子晶体硅平板结构，通过移除中间一行的空气孔形成光子晶体线型波导W1，在W1波导两侧各引入三个光子晶体微腔，每个光子晶体微腔包括聚集呈边长小于晶格常数a的等边三角形排列的三个空气孔，并在垂直于三角形边长的垂线方向各放置一个小空气孔作为功能孔，所述功能孔半径r2小于空气孔半径R，本发明通过分析计算得到每个光子晶体微腔的品质因子Q和灵敏度S都分别超过1×104和120nm/RUI。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，属于光子晶体领域。
背景技术
在过去的几年中，由于光子晶体传感器可以在不破坏环境的前提下，对环境参数的微小变化提供更高的灵敏度和分辨率已被广泛应用于生物化学传感、环境监测等方面。大部分传统的微纳米传感器只能针对单个点或单个目标进行检测，而对于多目标任务需要增加检测次数从而降低了检测效率。实现多目标检测的同时，高集成度、低功耗、高灵敏度的微纳米传感器也是重点研究方向。
为了在同一时间对多种目标进行检测，可以将多个光子晶体微腔耦合到同一光波导，得到光子晶体传感阵列。在常见的相关技术中，多采用n个一维光子晶体并行排列并耦合到一个输出端口，但是依然存在结构单一的缺陷，因此，相对于一维光子晶体结构，基于二维的光子晶体传感器结构更具有多样化，设计方式也更具有灵活性。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，制得的光子晶体传感器能够实现高品质因子以及高灵敏度的多目标检测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，所述阵列传感结构基于空气孔呈三角晶格的二维光子晶体结构进行设计的，所述二维光子晶体结构为圆形空气柱在硅板上呈三角形晶格进行周期排列而形成的二维光子晶体硅平板结构，通过移除中间一行的空气孔形成光子晶体线型波导W1，在W1波导两侧各引入三个光子晶体微腔，每个光子晶体微腔包括聚集呈边长小于晶格常数a的等边三角形排列的三个空气孔，并在垂直于三角形边长的垂线方向各放置一个小空气孔作为功能孔，所述功能孔半径r2小于空气孔半径R。
本发明技术方案的进一步改进在于：为进一步增强光波导带宽，减弱光波导有效折射率被周期调制而形成布拉格反射镜效应，将位于W1波导两侧并与之相邻的两行空气孔由圆形改为半圆形且半圆形空气孔的半径增大到1.5R。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过改变功能孔半径r2，调节光子晶体微腔的品质因子Q和灵敏度S。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过改变功能孔与等边三角形各边垂线的角度θ，使之绕该等边三角形的中心进行旋转，调节光子晶体微腔的品质因子Q。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述光子晶体结构尺寸为25a×20a，空气柱阵列大小为24×19，硅板厚度T＝0.61a，硅的折射率为3.45。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述空气孔半径R＝0.43a，w1光波导宽度Wg为2R，晶格常数a为615nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述光子晶体微腔的品质因子Q超过1×104，灵敏度S超过120nm/RUI。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明尺寸小，结构简单，制得的光子晶体传感器能够多目标检测；通过在波导两侧引入六个光子晶体微腔的参数，包括功能孔的半径r2以及旋转角度θ，通过参数优化选取性能较好的光子晶体微腔结构组成阵列传感结构，得到的每个光子晶体微腔的品质因子Q以及灵敏度S分别超过1×104和120nm/RUI。
附图说明
图1是本发明二维光子晶体硅平板结构示意图；
图2是利用PWE方法计算得到的图1所示光子硅平板平板能带图；
图3是在类TM极化能带宽度随平板厚度T的变化曲线图；
图4是在类TM极化能带宽度随空气孔半径R的变化曲线图；
图5是本发明方案一所对应的光子晶体线型波导W1结构示意图；
图6是利用3D-FDTD方法计算得到的基于图5所对应的透射曲线图；
图7是图6中所标注的①处所对应的场分布图；
图8是图6中所标注的②处所对应的场分布图；
图9是本发明方案二所对应的光子晶体线型波导W1结构示意图；
图10是本发明方案三所对应的光子晶体线型波导W1结构示意图；
图11是本发明三个方案所对应的透射曲线图；
图12是本发明图11中所标注的③点所在波长的光在通过光子晶体波导计算得到的电场分布图；
图13是本发明图11中所标注的④点所在波长的光在通过光子晶体波导计算得到的电场分布图；
图14是本发明图11中所标注的⑤点所在波长的光在通过光子晶体波导计算得到的电场分布图；
图15是本发明只引入一个晶体微腔的结构示意图；
图16是本发明一个晶体微腔的结构示意图；
图17是本发明功能孔在不同的旋转角度下所对应的透射曲线图；
图18是图17中a共振波长下晶体微腔处的场分布图；
图19是图17中b共振波长下晶体微腔处的场分布图；
图20是图17中c共振波长下晶体微腔处的场分布图；
图21是本发明利用3D-FDTD所计算得到的当旋转角度θ＝0°时不同功能孔半径所对应的透射曲线图；
图22是本发明利用3D-FDTD所计算得到的当旋转角度θ＝15°时不同功能孔半径所对应的透射曲线图；
图23是本发明利用3D-FDTD所计算得到的当旋转角度θ＝30°时不同功能孔半径所对应的透射曲线图；
图24是本发明提供的一种光子晶体微腔与具有增强带宽的光波导侧向耦合的阵列传感结构示意图；
图25是利用3D-FDTD方法计算得到的由图21所示结构在孔折射率为1时所对应的透射曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明提供的一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构是基于空气孔呈三角晶格的二维光子晶体硅平板结构进行设计的，如图1所示，所述二维光子晶体结构为圆形空气柱在硅板上呈三角形晶格进行周期排列而形成的二维光子晶体硅平板结构，空气孔呈三角晶格排列，晶格常数为a。为了得到较宽的光子晶体带隙，利用PWE方法计算得到光子晶体TM-like和TE-like极化的能带结构图如图2所示。可以看到TM-like带隙更宽，因此本发明只讨论光子晶体平板的厚度T以及空气孔半径R对TM-like带隙的影响以得到更宽的光子晶体带隙。图3和图4描述的是T与晶格常数a的比值以及空气孔半径R与晶格常数a的比值对光子晶体带隙宽度的影响。最终确定平板结构参数如下：晶格常数a为615nm，空气孔半径R＝0.43a，硅板厚度为T＝0.61a nm，其折射率为3.45。利用PWE方法计算得到的频率带隙从ωa/2πc＝0.312到ωa/2πc＝0.5，对应的波长范围为1230nm-1810nm。该光子晶体平板含有的空气孔阵列大小为24×19，整个平板的尺寸为25a×20a。
将中间一行的空气孔移除从而形成线型波导W1作为方案一，其宽度为2R如图5所示。利用3D-FDTD方法计算得到透射曲线如图6所示，并且以图6中所标记的①和②处波长处所对应的场分布图如图7和图8所示。然而，这种缺陷行波导的横截面经历了光子波导横截面面积的周期性调制，波导在靠近孔时是窄的，在孔间隔处时是宽的。众所周知，介质波导的有效模态指数(neff)取决于其横截面面积。因此为了实现增强带宽，减弱布拉格反射镜效应，将位于W1波导两侧并与之相邻的两行空气孔由圆形改为半圆形作为方案二，减小高、低有效折射率neff之间的差，减弱这种周期调制，具体如图9所示。为进一步减小损耗，将半圆形空气孔半径增大到1.5R，作为方案三，如图10所示。利用3D-FDTD方法得到三种方案的透射曲线如图11中所示，并得到图11中所标记的③④⑤处波长所对应的场分布图如图12、图13和图14所示，可以看出光损耗被大大地降低。
因此在方案三所设计的光波导基础上进行光子晶体微腔的设计，首先引入单个光子晶体微腔并利用3D-FDTD方法求得其透射光谱。为了提高光子晶体微腔的品质因子Q以及灵敏度S，对光子晶体微腔内的功能孔的旋转角度θ以及半径r2分别进行讨论。光子晶体微腔设计示意图如图15所示，其中光子晶体微腔放大图如图16所示。图17所描述的是在功能孔半径维持原有半径0.5R，在旋转角度θ分别为[0°,15°,30°]时得到的透射曲线，可以看出共振波长随角度增大而发生红移。图18、图19和图20为光子晶体微腔在a、b、c三个共振波长处所对应的场分布图，可以看出光可以被很好的限制在微腔内，从而增强了光与待测物质相互作用。
图21、图22和图23分别为在旋转角度θ＝0°、θ＝15°和θ＝30°时得到随功能孔半径r2＝[0.4R,0.5R,0.6R]分别对应的透射曲线。根据分析结果把得到六个具有较好性能的光子晶体微腔结构分别引入方案三的光波导结构的两侧，如图24所示，并利用3D-FDTD方法得到其透射光谱如图25所示。并通过计算得到了相邻共振峰之间的自由光谱范围值(FSR)如表1所示，可以看到相邻光子晶体微腔之间的自由光谱范围都超过40nm，因此光子晶体微腔之间的串扰会大大减小，是一个性能较好的折射率传感结构。
表1 相邻峰之间的自由光谱范围值(FSR)
接下来研究该光子晶体微腔的灵敏度S。光子晶体微腔的灵敏度S定义为Δλ/Δn，改变各待测物质的折射率会引起谐振波长的偏移。通过仿真计算得到各光子晶体微腔的灵敏度S以及所对应的品质因子Q如表2所示。从表2中可以看出光子晶体微腔的品质因子Q超过1×104，灵敏度S超过120nm/RUI。
表2 不同结构参数的光子晶体微腔的灵敏度S和品质因子Q
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，其特征在于：所述阵列传感结构基于空气孔呈三角晶格的二维光子晶体结构进行设计的，所述二维光子晶体结构为圆形空气柱在硅板上呈三角形晶格进行周期排列而形成的二维光子晶体硅平板结构，通过移除中间一行的空气孔形成光子晶体线型波导W1，在波导W1两侧各引入三个光子晶体微腔，每个光子晶体微腔包括聚集呈边长小于晶格常数a的等边三角形排列的三个空气孔，并在垂直于三角形边长的垂线方向各放置一个小空气孔作为功能孔，所述功能孔半径r2小于空气孔半径R；
将位于波导W1两侧并与之相邻的两行空气孔由圆形改为半圆形且半圆形空气孔的半径增大到1.5R；通过改变功能孔与等边三角形各边垂线的角度θ，使之绕该等边三角形的中心进行旋转，θ=0º、θ=15º和θ=30º，以及通过改变功能孔半径r2，r2=0.4R、r2=0.5R和r2=0.6R，从而调节光子晶体微腔的品质因子Q和灵敏度S。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，其特征在于：所述光子晶体结构尺寸为25a×20a，空气柱阵列大小为24×19，硅板厚度T=0.61a，硅的折射率为3.45。
3.根据权利要求2所述的一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，其特征在于：所述空气孔半径R=0.43a，波导W1宽度Wg为2R，晶格常数a为615nm。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体微腔与光波导侧向耦合的阵列传感结构，其特征在于：所述光子晶体微腔的品质因子Q超过1×104，灵敏度S超过120nm/RUI。
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