一种基于晶格常数渐变型的多模式椭圆孔一维光子晶体纳米束双参量传感器的制作方法

本发明提出了一种基于晶格常数渐变型的多模式椭圆孔一维光子晶体纳米束传感器结构，可以实现溶液中温度和折射率的同时传感，属于光子晶体传感器的技术领域。

背景技术：

近年来，光子晶体传感器由于具有高灵敏度、低探测极限、无标签检测、易于片上集成等优势，受到了广泛关注，取得了许多显著的研究成果。例如，设计基于l3腔的平板光子晶体结构实现生化传感(文献1：y.liu,h.salemink,“all-opticalon-chipsensorforhighrefractiveindexsensing,”appliedphysicsletters,vol.106,no.3,pp.031116,2015)；设计光子晶体纳米束集成结构应用于温度传感(文献2：y.zhang,p.liu,s.zhang,w.liu,j.chen,y.shi,“highsensitivitytemperaturesensorbasedoncascadedsiliconphotoniccrystalnanobeamcavities,”opticsexpress,vol.24,no.20,pp.23037-23043,2016)；设计倾斜排列直接耦合谐振腔结构的二维光子晶体传感器应用于压力传感(文献3：y.yang,h.tian,d.yang,n.wu,j.zhou,q.liu,y.ji,“nanomechanicalthreedimensionalforcephotoniccrystalsensorusingshoulder-coupledresonantcavitywithaninsertedpillar,”sensorsandactuatorsa:physical,vol.209.pp.33-40,2014)，等。

与二维平板光子晶体结构相比，一维光子晶体纳米束谐振腔具有更高的q值和更低的模式体积，有利于大规模片上集成(文献4：l.huang,j.zhou,f.sun,z.fu,h.tian,“optimizationofonedimensionalphotoniccrystalelliptical-holelow-indexmodenanobeamcavitiesforon-chipsensing,”journaloflightwavetechnology,vol.34,no.15,pp.3496-3502,2016；文献5：f.sun,j.zhou,l.huang,z.fu,h.tian,“highqualityfactorandhighsensitivityphotoniccrystalrectangularholesslotnanobeamcavitywithparabolicmodulatedlatticeconstantforrefractiveindexsensing,”opticscommunications,vol.399,pp.56-61,2017)。传统的光子晶体纳米束传感器通常只研究对折射率一个变化参量的传感，但是，随着研究深入，我们发现，在对折射率进行传感的时候，由于热光效应，温度的影响是不能忽略的。因此，近年来陆续报道了一些可以实现温度和折射率同时检测的光子晶体传感结构。例如，级联h0腔和h1腔的平板光子晶体传感器(文献6：y.zhang,y.zhao,h.hu,“miniaturephotoniccrystalcavitysensorforsimultaneousmeasurementofliquidconcentrationandtemperature,”sensorsandactuatorsb:chemical,vol.216,pp.563-571,2015)；介质模和空气模并联纳米束传感器(文献7：p.liu,y.shi,“simultaneousmeasurementofrefractiveindexandtemperatureusingcascadedside-coupledphotoniccrystalnanobeamcavities,”opticsexpress,vol.25,no.23,pp.28398-28406,2017)但是，这些结构都需要将2个或多个谐振腔进行集成，增加了结构尺寸和制作难度。

因此，在保证传感性能的基础上，我们提出了一种基于晶格常数渐变型的多模式椭圆孔一维光子晶体纳米束传感结构。仅仅需要一个纳米束腔，就可以实现对温度、折射率2个参量同时检测传感。而且，该结构的尺寸仅为12μm×0.7μm×0.22μm(长×宽×高)，有利于进行大规模片上集成。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明旨在克服现有光子晶体传感技术的不足：首先，传统的光子晶体纳米束折射率传感器，虽然可以达到较好的灵敏度和q值，但是只考虑折射率一个传感指标，而近年来的研究表明，热光效应是不能被忽略的；其次，现有的光子晶体双参量传感结构，需要复用至少2个谐振腔，大大增加了结构尺寸和制作难度。

(二)技术方案

为了实现上述目标，本发明采用的技术方案具体如下：

首先，本发明在硅(si)波导上，刻蚀关于波导中心对称的尺寸一致的椭圆形孔，这些椭圆孔的晶格常数渐变，且整体结构关于中心椭圆孔对称，所构成的光子晶体纳米束腔在透射谱中可以产生多个谐振峰。

在上述方案中，硅波导的折射率为3.48，波导的宽度(w)为700nm，厚度为220nm，椭圆形孔的长轴尺寸(ey)为500nm，短轴尺寸(ex)为200nm。

在上述方案中，刻蚀关于波导中心个数对称的晶格常数渐变的椭圆形孔结构形成高斯衰减镜像，晶格常数中间最小，向左右两边依次增加。晶格常数的计算公式为a(i)＝a(1)+(i-1)²(a(1)-a(imax))/(imax-1)²,i∈[1,imax],i指结构一侧的第i个孔，a(i)指第i个孔的晶格常数，imax则代表结构一侧的椭圆形孔数目。其中a(1)＝330nm，a(imax)＝394nm。

在上述方案中，两边的椭圆形孔的数目都为10个，结构尺寸仅为12μm×0.7μm×0.22μm(长×宽×高)。

在上述方案中，考虑波导材料和检测溶液的热光效应，基模和一阶模对折射率和温度的灵敏度构成了满秩的传感矩阵，通过检测透射谱各自的谐振波长偏移，就可以计算出折射率和温度各自的变化量。

(三)有益效果

与现有的技术方案相比，从上述方案中，本发明的有益效果概括如下：

1)本发明实现了对温度和折射率的双参量同时传感。

2)本发明设计的椭圆孔纳米束结构，采用晶格渐变型设计，不需要改变椭圆形孔的大小，而只需要改变相互之间的位置，制作更加简单。

3)相比于现有的光子晶体双参量传感结构，只需要一个谐振腔，就可以实现对两个参量的传感。在不牺牲传感性能的基础上，大大减小了结构尺寸大小，有利于器件制作和片上集成。

4)本发明所设计的纳米束传感器，结构尺寸仅为12μm×0.7μm×0.22μm(长×宽×高)，有利于大规模片上集成。

附图说明

图1(a)为本发明实施提供的晶格常数渐变型多模式椭圆孔一维光子晶体纳米束双参量传感器的结构示意图。硅的折射率为3.48，波导的宽度w＝700nm，厚度为220nm，椭圆形孔的长轴尺寸ey＝500nm，短轴尺寸ex＝200nm。椭圆形孔的折射率和背景折射率为1.316。

图1(b)是利用三维时域有限差分法(3d-fdtd)仿真得到的纳米束腔基模和一阶模在各自谐振波长处的电场分布图。

图2是根据镜像强度公式，计算得到的晶格常数和镜像强度之间的关系图。

图3是利用平面波展开法(pwe)，得到的晶格常数为a＝330nm和a＝394nm时的单晶胞的能带图。

图4是当溶液折射率发生变化时的谐振透射谱图，溶液折射率的值分别为1.316，1.3178，1.3196，1.3214和1.3232，此时环境温度保持300k不变。

图5是谐振波长偏移量与折射率之间的关系图，直线是计算得到二者之间的线性拟合直线。

图6是当环境温度发生变化时的谐振透射谱图，温度分别设置为300k，305k，310k，315k和320k，折射率设置为1.316且保持不变。考虑了热光效应的影响，硅的热光系数为1.84×10^-4riu/k，nacl溶液的热光系数为-1.64×10^-4riu/k。

图7是谐振波长偏移量与温度之间的关系图，直线是计算得到二者之间的线性拟合直线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下将结合附图，对本发明的双参量传感原理、具体结构和传感性能作进一步说明：

首先，本发明明确了利用单一纳米束腔的不同模式进行双参量传感的实现原理：对于多模式纳米束结构而言，由基模折射率灵敏度(sn,0)、基模温度灵敏度(st,0)、一阶模折射率灵敏度(sn,1)、一阶模温度灵敏度(st,1)可以构成传感矩阵从而构造出二元一次方程组其中，δλ0和δλ1分别代表基模和一阶模的谐振波长偏移量，δn和δt分别代表折射率和温度的改变量。当该矩阵满秩时，二元一次方程组有唯一解。通过检测透射谱测量得到δλ0和δλ1，可以解方程计算出δn和δt。

本发明提出了一种基于晶格常数渐变的多模式椭圆孔一维光子晶体纳米束传感器，其结构示意图如图1(a)所示。结构采用了折射率为3.48，宽度为700nm，厚度为220nm的硅波导结构，刻蚀关于波导中心个数对称的椭圆形孔。在该结构中，椭圆形孔的长轴尺寸ey＝500nm和短轴尺寸ex＝200nm都保持不变，而晶格常数从中间向两边逐渐增大。晶格常数的计算公式为a(i)＝a(1)+(i-1)²(a(1)-a(imax))/(imax-1)²,i∈[1,imax],i指结构一侧的第i个孔，a(i)指第i个孔的晶格常数，imax代表结构一侧的椭圆形孔数目。其中a(1)＝330nm，a(imax)＝394nm。光从波导左侧输入，探测器位于波导右边，用来检测结构的透射谱。通过三维时域有限差分法(3d-fdtd)，仿真得到多模式纳米束腔的基模、一阶模电场分布图，如图1(b)所示。该纳米束腔的基模谐振波长为1558.03nm，一阶模的谐振波长为1607.21nm，而且具有不同的电场分布。

本发明提出的晶格常数渐变型的多模式椭圆孔纳米束腔双参量传感器，主要研究的参数选择为渐变的晶格常数范围和变化方式。由于要让谐振峰在1550nm附近，我们选择a＝330nm作为中间最小的晶格常数。图2给出了利用了镜像强度公式计算得到的晶格常数和镜像强度之间的对应关系图，其中，ω1和ω2为上边带和下边带的边缘频率，ωres为中心孔晶胞单元介质模的频率，ω0为中间带频率。可以看出，当a＝394nm时，得到了最大的镜像强度。图3是利用平面波展开法(pwe)得到的晶格常数为394nm和330nm的能带图。利用计算公式为a(i)＝a(1)+(i-1)²(a(1)-a(imax))/(imax-1)²,i∈[1,imax]，计算得到了晶格常数的具体数值。其中，i指结构一侧的第i个孔，a(i)指第i个孔的晶格常数，imax则代表结构一侧的椭圆形孔数目，a(1)＝330nm，a(imax)＝394nm。

本发明提出的晶格常数渐变型的多模式椭圆孔纳米束腔双参量传感器，两边椭圆孔的数目各为10个，此时，基模位于1558.03nm处，q值大约为63936；一阶模位于1607.21nm处，q值大约为6600，已经可以适用于传感领域。

基于本发明明确的双参量传感机理，利用3d-fdtd算法，对该结构分别进行折射率传感和温度传感的分析。图4是当溶液的折射率发生变化时的谐振透射谱图，环境温度保持300k不变，溶液折射率的值分别为1.316，1.3178，1.3196，1.3214和1.3232，图5是谐振波长偏移量与折射率之间的关系图。从图4和图5可以看出，当折射率增大，波长发生线性红移，基模的折射率灵敏度sn,0＝140.28nm/riu，一阶模对折射率的灵敏度sn,1＝168.055nm/riu。

紧接着，考虑热光效应的影响，引入硅的热光系数为1.84×10^-4riu/k，nacl溶液的热光系数为-1.64×10^-4riu/k。图6是当环境温度发生变化时的谐振透射谱图，温度分别设置为300k，305k，310k，315k和320k，溶液折射率保持1.316不变。图7是谐振波长偏移量与温度之间的线性拟合关系图。从图6和图7可以看出，当温度发生改变时，基模、一阶模的谐振波长都会发生线性偏移，基模对温度的灵敏度st,0＝48pm/k，一阶模对温度的灵敏度st,1＝44.5pm/k。

综上，在该多模纳米束结构中，由sn,0，sn,1，st,0和st,1构成的传感矩阵满足满秩的条件，二元一次方程组有唯一解。因此，在实际应用中，可以通过检测透射谱中基模和一阶模对应的谐振波长偏移，计算出溶液折射率和温度各自的变化量。