CN112345114B - 一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构 - Google Patents

一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，属于光子晶体传感器技术领域，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔、位于一侧的空气模纳米腔和位于另一侧的介电模纳米腔。本发明制得的光子晶体纳米束传感器能够实现对折射率与温度的同时检测，通过分析计算得空气模纳米腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为377.2nm/RIU和101pm/K；介电模纳米腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为194nm/RIU和261pm/K。

Description

一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构
技术领域
本发明涉及光子晶体传感器技术领域，尤其是一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构。
背景技术
近几十年来，已经证明了基于共振理论的光学传感器具有高品质因数和小模式体积，可用于各种领域的检测。在生物化学传感领域，光子晶体腔结构由于不需要荧光标记和最少的样品要求而受到越来越多的关注。其中，在生物化学传感中，分析物的折射率(RI)和温度(T)都会影响共振波长，并且共振模式探测区域的两个参数的变化都会引起相应的共振波长偏移。通常，分析物或周围环境的RI或T之间存在一定的关系。在传统的传感过程中，通常假定是在恒定温度下进行的。但是，在不同的工作温度下，不仅会影响分析物的折射率，还会影响传感器本身。因此，有必要考虑温度对结果的影响。为了同时感测温度(T)和折射率(RI)，需要双参数传感器结构。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，是可同时测量折射率与温度的一维光子晶体纳米束腔传感结构，制得的光子晶体纳米束传感器能够实现对折射率与温度的同时检测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔、位于纳米束微腔一侧的空气模纳米腔和位于纳米束微腔另一侧的介电模纳米腔；纳米束微腔具有较宽的线宽；空气模纳米腔是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述纳米束微腔由半径不同的五个空气孔以晶格常数为a1分布在宽度为d1的硅波导中构成；所述空气模纳米腔由16个半径相同的空气孔以晶格常数为a2分布在宽度为d2的呈高斯线性分布的硅波导中构成；所述介电模纳米腔由25个半径成高斯线性以晶格常数为a3分布在宽度为d3的硅波导中构成。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述硅波导厚度为T＝220nm，折射率为3.48。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过分析计算得空气模纳米腔的折射率灵敏度为377.2nm/RIU，温度灵敏度为101pm/K。
本发明技术方案的进一步改进在于：通过分析计算得介电模纳米腔的折射率灵敏度为194nm/RIU，温度灵敏度为261pm/K。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述绝缘层为二氧化硅绝缘层；二氧化硅绝缘层厚度为2.2μm，折射率为1.4。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明结构简单，制得的光子晶体传感器能够实现对折射率以及温度的同时检测。
2、本发明基于时间耦合理论，将设计的一维光子晶体纳米束腔结构简化为一组基本组件，仅使用能量守恒对其进行分析。
3、本发明通过仿真分析得到空气模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为377.2nm/RIU和194pm/K；介电模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为101nm/RIU和261pm/K。
4、本发明微腔之间的串扰较小，是一个性能较好的能够同时检测折射率和温度的传感器结构。
附图说明
图1是本发明的传感结构示意图；
图2是本发明的基于时间耦合理论的一维光子晶体纳米束腔双参数结构模型示意图；
图3是本发明的传感结构参数示意图；
图4是本发明中空气模纳米腔的能带图；
图5是本发明中介电模纳米腔的能带图；
图6是本发明中当输入波长为λ1＝1625.17nm时所对应的电场分布图；
图7是本发明中当输入波长为λ2＝1673.48nm时所对应的电场分布图；
图8是本发明中当输入波长为λ3＝1566.78nm时所对应的电场分布图；
图9是本发明中当待测折射率RI从1到1.015时所对应的透射光谱；
图10是本发明中对应图9中对应的两个腔的共振峰位置随RI变化的拟合直线；
图11是本发明中当待测温度T从280K到330K时所对应的透射光谱；
图12是本发明中对应图11中对应的两个腔的共振峰位置随温度T变化的拟合直线；
图13是本发明中在温度T不变的情况下两个腔的最大串扰值随折射率RI的变化曲线图；
图14是本发明中在折射率RI不变的情况下两个腔的最大串扰值随温度T的变化曲线图。
其中，1、纳米束微腔，2、空气模纳米腔，3、介电模纳米腔。
具体实施方式
本发明是针对在传统的传感过程中没有考虑不同工作温度对分析物的折射率和传感器本身的影响而研发的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，制得的光子晶体纳米束传感器能够同时感测温度(T)和折射率(RI)。
下面结合附图及具体的实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构。
所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔1、位于纳米束微腔1一侧的空气模纳米腔2和位于纳米束微腔1另一侧的介电模纳米腔3；纳米束微腔1具有较宽的线宽，空气模纳米腔2是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔3是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。
所述纳米束微腔1由半径不同的五个空气孔以晶格常数为a1分布在宽度为d1的硅波导中构成；所述空气模纳米腔2由16个半径相同的空气孔以晶格常数为a2分布在宽度为d2的呈高斯线性分布的硅波导中构成；所述介电模纳米腔3由25个半径成高斯线性以晶格常数为a3分布在宽度为d3的硅波导中构成。
所述硅波导厚度为T＝220nm，折射率为3.48。
通过分析计算得空气模纳米腔2的折射率灵敏度为377.2nm/RIU，温度灵敏度为101pm/K。
通过分析计算得介电模纳米腔3的折射率灵敏度为194nm/RIU，温度灵敏度为261pm/K。
所述绝缘层为二氧化硅绝缘层；二氧化硅绝缘层厚度为2.2μm，折射率为1.4。
具体的实施例：
图中的cavity1、cavity2和cavity3分别对应前述的纳米束微腔1、空气模纳米腔2、介电模纳米腔3。
如图1所示，所述一维光子晶体结构为圆形空气柱在硅波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米腔结构，纳米束微腔1，空气模纳米腔2，介电模纳米腔3分别以晶格常数a1-a3进行排列。为了更方便理解设计的传感结构，以时间耦合理论为基础将所设计的传感结构简化为如图2所示的抽象图：从波导1输入单模具有振幅Sin；从波导2得到输出振幅为Sout的单模；单谐振模式的振幅为A，频率为ω0，耦合到波导1、2和空气模纳米腔2和介电模纳米腔3，其光子寿命分别τw，τ1，τ2。假设腔体能量只缓慢地泄漏到侧耦合腔中，满足弱耦合条件。因此，可以从波导2的输出得到透射谱：
Figure BDA0002681681390000071
Figure BDA0002681681390000072
图3描述的是设计的传感结构的xy平面的视图，并标有所涉及的参数的标定。结构参数如表1所示：
表1 cavity 1、cavity 2和cavity 3的结构光学特性参数
Figure BDA0002681681390000073
空气模纳米腔2的波导宽度d2的变化为d2＝dcenter+(dend-dcenter)×i2/(N×a1)2，其中dcenter＝700nm，dend＝500nm；N＝7是腔每侧的高斯反射镜数，i∈(0，N)为整数。
介电模纳米腔3的波导宽度固定不变但其空气孔半径变化为r3＝rcenter+(rend-rcenter)×j2/M2，其中M是中间腔每侧的空气孔数量；rcenter＝150nm，rend＝80nm，M＝12；j∈(1，M)为整数。
图4和图5描述的是空气模纳米腔2和介电模纳米腔3在TE模式下的能带图。如图4所示，选择空气模纳米腔2在箭头标注的179.3THz谐振频率处的空气模，这是因为此时光可以被限制在低折射率区也就是空气孔内，此时可以加强光与物质相互作用的时间与强度。如图5所示，为了提高温度传感的灵敏度，选用在图5中箭头标注的191.5THz谐振频率处的介电模，此时大部分光可以被限制在高折射率部分也就是硅介质中来感应温度的变化。图6、图7和图8描述了在RI＝1，T＝300K的条件下，在三个不同的谐振波长λ1＝1625.17，λ2＝1673.48nm和λ3＝1566.78nm处的电场分布图。谐振波长间距大于100nm，为减小两个谐振微腔之间的串扰，拓宽检测范围提供了良好的条件。
为了分别研究该传感结构的RI和T敏感性，在恒温(T＝300K)下，RI由1.33变化为1.38，透射光谱的变化如图9所示。图10描述的是在温度为300K时两腔的共振波长随分析物RI的变化，谐振波长位移与RI呈明显的线性关系，图中分别显示了空气模纳米腔2和介电模纳米腔3的线性拟合线。当分析物的RI在1.33和1.38RIU之间变化时，空气模纳米腔2的谐振波长变化范围是1667.6nm到1686.46nm，斜率为377.2nm/RIU，介电模纳米腔3的谐振波长变化范围为1572.1到1581.8nm，斜率为194nm/RIU。显然，空气模纳米腔2的RI灵敏度要比介电模纳米腔3大得多，这一结果也与之前的能带分析结果一致。
环境温度T对分析物和介电材料的RI都有着不同程度的影响。选择氯化钠溶液作为分析物。氯化钠溶液对温度的RI敏感性为KT＝-1.6065×10-4RIU/K，硅介质的热光系数KSi＝1.8×10-4RIU/K。图11为分析物浓度不变时不同温度下透射光谱的变化。图12描述了氯化钠溶液浓度为20％(RI＝1.3692)时的共振波长与温度(T)的关系。拟合直线表明共振对T变化有显著的线性响应。空气模纳米腔2和介电模纳米腔3的谐振波长均随温度T的增大而增大，T从280K增加到330K，对应的线性斜率分别为101pm/K和261pm/K。空气模纳米腔2的谐振波长变化量(Δλ2)和介电模纳米腔3的谐振波长变化量(Δλ3)可以表示为：
Figure BDA0002681681390000091
Figure BDA0002681681390000092
最后将得到的分析数据代入式(4)，得到如下结果:
Figure BDA0002681681390000093
Figure BDA0002681681390000094
接下来研究该双参数传感结构对折射率与温度传感之间的最大串扰。光子晶体微腔之间的最大串扰α定义为
Figure BDA0002681681390000095
其中M是当RI从1.33到1.38间隔0.01，T从280K到330K间隔10K时在谐振波长λ处对应的最小传输值；Mi是另一个腔在同一波长λ处的传输值。因此，可以得到本发明中所设计的两个腔之间的串扰值，如图13和图14所示，串扰值都相对较低(RI小于-7dB,T小于-6dB)。
综上所述，本发明基于时间耦合理论，将设计的一维光子晶体纳米束腔结构简化为一组基本组件，仅使用能量守恒对其进行分析；通过仿真分析得到空气模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为377.2nm/RIU和194pm/K；介电模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为101nm/RIU和261pm/K。
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 (6)

1.一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构；
所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔（1）、位于纳米束微腔（1）一侧的空气模纳米腔（2）和位于纳米束微腔（1）另一侧的介电模纳米腔（3）；纳米束微腔（1）具有较宽的线宽，空气模纳米腔（2）是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔（3）是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述纳米束微腔（1）由半径不同的五个空气孔以晶格常数为a1分布在宽度为d1的硅波导中构成；所述空气模纳米腔（2）由16个半径相同的空气孔以晶格常数为a2分布在宽度为d2的呈高斯线性分布的硅波导中构成；所述介电模纳米腔（3）由25个半径成高斯线性以晶格常数为a3分布在宽度为d3的硅波导中构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述硅波导厚度为T=220nm，折射率为3.48。
4.根据权利要求1或2任一项所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：通过分析计算得空气模纳米腔（2）的折射率灵敏度为377.2nm/RIU，温度灵敏度为101pm/K。
5.根据权利要求1或2任一项所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：通过分析计算得介电模纳米腔（3）的折射率灵敏度为194nm/RIU，温度灵敏度为261pm/K。
6.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述绝缘层为二氧化硅绝缘层；二氧化硅绝缘层厚度为2.2µm，折射率为1.4。
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