一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，属于光子晶体集成传感器技术领域。所述传感阵列包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经N×1的S型功率合成器合成一束光波输出。本发明结构设计紧凑，解调简单，实际制作简单，具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。
【专利说明】
一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列
技术领域
[0001]本发明属于光子晶体集成传感器技术领域，涉及一种新型的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列。
【背景技术】
[0002]目前，超小型高灵敏度生化传感器在多种应用方面具有巨大吸引力，如医疗诊断、药物开发、环境保护、医疗保障和食品安全，而光学传感技术是进行灵敏、实时、无标记生物分子检测的最流行的方法之一。在过去的几十年中，已经开发了各种不同谐振模式的光子结构作为光学传感器装置。最常用的方案有基于表面等离子体共振(SPR)原理(文献I，Y-LiujS-ChenjQ-LiujJ.Masson,and W.Peng，“Compact mult1-channel surface plasmonresonance sensor for real-time mult1-analyte b1sensingOpt.Express 23(16)，20540-20548,2015.)，回音壁微谐振器(WGM)(文献2，B.Li，W.Clements，X.Yu，K.Shi，Q.Gong,and Y.Xiao，“Single nanoparticle detect1n using split-mode microcavityRaman lasers/’Proceedings of the Nat1nal Academy of Sciences 111(41)，14657-14662,2014.)，MZI干涉仪(文献3，B.J.Luff，J.S.Wilkinson，J.Piehler，U.Hollenbach，J.Ingenhoff，and N.Fabricius，“Integrated optical Mach-Zehnder b1sensor，，，J.Lightwave Techno I.16 (4)，583-592，1998.)，环谐振器(RR)(文献4，C.Smi th，R.Shankar，M.Laderer，M.Frish，M.Loncar，and M.Allen,uSensing nitrous oxide withQCL-coupled s iI icon-on-sapphire ring resonators Opt.Express 23(5),5491-5499，2015)和光子晶体(文献5，M.Loncar，A.Scherer，and Y.Qiu，“Photonic crystal cavitylaser sources for chemical detect1n，，，Appl.Phys.Lett.82,4648-4651，2003.)。特别是基于光子晶体的光学传感器由于其紧凑的尺寸、高可积性与在光子集成电路(PIC)中的高集成性，在集成传感器阵列器件的高度并行复用传感检测和集成应用程序方面具有显著优势。例如，Mandal等人展示了一种基于一维光子晶体微腔侧耦合的硅波导位于带状波导旁边的纳米光电流体传感器阵列(文献6，S.Mandal and D.Erickson , “NanoseaIeoptof luidic sensor arrays,^Opt.Express 16(3)，1623-1631，2008.) DPal等展不了一种基于串联连接的光子晶体微腔传感器单元的(文献7，S.Pal，E.GuiIlermain，R.Sriram，B.Mi IIer, and P.Fauchet,uSilicon Photonic Crystal Nanocavi ty-CoupledWaveguides for Error-Corrected Optical B1sensing，，，B1sens B1electron.26
(10),4024-4031，2011.)光学生物传感器阵列dD.Yang等人证明了基于串联的HO微腔侧耦合到二维光子晶体波导的二维(20)光子晶体集成传感器阵列(文献8，0.￥&耶，!1.11&11，&11(1Y.Ji，“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates usingside-coupled resonant cavity arraysOpt.Express 19,20023-20 034，2011.文献9，D.Yang,H.Tian and Y.Ji，“Nanoscale Low Crosstalk Photonic Crystal IntegratedSensor Array，”IEEE Photonics Journal 6，1_7，2014.)。然而，这些大多数的集成传感器阵列是基于二维光子晶体，不适合高密度集成。并且，上述多通道2D PC-1SAs的所有传感器单元不能被单输入单输出的光纤同时检测到，将导致设备校准困难且成本昂贵。
【发明内容】
[0003]为了克服上述缺点和局限性，同时由于一维光子晶体纳米梁微腔在光波导及电路中超高的紧凑性和可集成性，使其在集成芯片领域表现出了巨大的优势，与二维光子晶体微腔传感相比，一维光子晶体纳米梁微腔的性能参数(FOM)提高了至少一个数量级。本发明提出了一种新型的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，具有很好的扩展性，本发明的阵列模型可以推广到I XN阵列，包括I XN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经NX I的S型功率合成器合成一束光波输出。
[0004]本发明有如下优点:
[0005]1.本发明结构设计紧凑，解调简单，实际制作简单，同类高性能光子晶体传感器结构模型都是基于结构复杂的光子晶体微腔结构，传感器结构的优化设计相对比较复杂，而且对于维纳加工制备技术精度要求非常高不利于光子晶体传感器的实际制作；
[0006]2.本发明可以保留用于实现传感的光子晶体纳米束微腔的特定的基本模式，而滤去其它高阶模式，提高其精确度；
[0007]3.串联的一维光子晶体纳米束带隙滤波器对一维光子晶体纳米束微腔传感器的性能没有影响，例如Q值，谐振峰位置，灵敏度等。
[0008]4.可扩展性好，阵列模型可以推广到I XN阵列的情况。
[0009]5.该阵列结构的设计提高了一维光子晶体纳米梁微腔传感器阵列的复用能力和高度并行性能。另外，它还可以拓宽基于一维光子晶体纳米梁微腔的光子集成器件和集成光学电路(1C)的密集集成性能。
[0010]6.本发明具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。
【附图说明】
[0011]图1是本发明提供的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列的结构示意图。
[0012]图2中从上到下四个图分别为三个传感分支的透射谱图和传感阵列的透射谱图。
[0013]图3为32在不同折射率(町1、!?12、1?13)，31、33在1?13折射率下的透射谱图。
[0014]图4是微腔传感器的三条传感分支的波长随折射率的变化曲线，斜率即传感器的灵敏度。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0016]本发明提供一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，包括IXN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器。当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感支路和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感支路后，经功率合成器合成一束光波输出。所述的一维光子晶体纳米梁带隙滤波器，由单一完美的一维光子晶体纳米束波导构成，它的空气孔A半径是相同的。所述的一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的滤波作用使最后输出的透射谱中只保留目标谐振波，其他不必要的谐振模式被过滤掉。环境折射率改变，会导致光学元件透射谱偏移，或者谐振角度变化。通过测量波长偏移量或者角度变化量，即可实现折射率传感。
[0017]如图1给出的基于一维光子晶体的多束并行复用纳米梁微腔传感阵列的实施例中，功率分束器为I X 3的等功率分束器，功率合成器为3 X I的S型功率合成器，一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的三条传感分支由上至下分别为F1、F2、F3，一维光子晶体纳米梁微腔传感器的三条传感分支由上至下分别为:S1、S2、S3。
[0018]所述传感分支采用的波导的介质是硅，背景介质是空气。其中硅波导的厚度为220nm，纳米梁宽度Wnb = 700nm，硅的折射率Nsi = 3.46,空气的折射率Nair = 1.00
[0019]—维光子晶体纳米梁带隙滤波器，是由完美的一维光子晶体纳米梁波导构成，每条传感分支上，娃波导的宽度w = 70nm，厚度h = 2 20nm，親合进娃波导中的空气孔A的数目N为偶数，N = 6，且所有空气孔A半径相同均为ri = 90nm，相邻两个空气孔A中心之间的距离&1= 390nm。
[0020]—维光子晶体纳米梁微腔传感器具有超高的Q值，其Q值>107，它由10个耦合进硅波导的半径变化的空气孔B构成，硅波导的宽度w = 70nm，厚度h = 220nm，整个结构呈中心对称，在对称轴的每一侧各有5个空气孔B，并且从中心到末端，空气孔B半径逐渐减小。最中心的两个空气孔的半径为reenter = 120nm，末端空气孔的半径为rend = 85nm，从中心开始的第i个空气孔B 的半径符合公式:r(i) = reenter+ ( i _ I ) 2 ( rend-rcenter ) / ( imax- 1)2，其中，1 = 1，2，...，5，imax = 5, imax表示单侧空气孔B的数量。相邻两个空气孔B中心之间的距离a2 = 330nm。
[0021]通过仿真软件对本发明的阵列传感器的能带图、场图和透射谱进行仿真，得到每个传感分支的透射图，如图2所不，三个传感分支都有且只有一个谐振峰，三个传感分支的谐振波长分别为:1482nm、1518nm和1549nm。传感阵列的透射谱图为三个传感分支透射谱图的叠加，整个传感阵列的透射谱中只有三个谐振峰，有利于实现高密度复用传感阵列。
[0022]从图3可以看出三个传感分支都有且只有一个谐振峰，谐振波长分别在1482nm、1518nm和1549nm，整个传感阵列的透射谱中只有三个谐振峰，有利于实现高密度复用传感阵列。改变其中S2支路周围环境的折射率，S1、S3折射率不变，观察透射图可以看出S2谐振峰的波长随折射率的变化而变化明显，SI与S3无变化，从而说明三条传感分支的谐振波相互独立。
[0023]本发明实现的高性能微纳传感器，其Q值高达107，从图4可以看出S1、S2、S3的折射率灵敏度分别为125.7nm/RIU、145.6nm/RIU、111.5nm/RIU。本发明实现了高Q值和高灵敏度的一维光子晶体集成传感器的设计与应用，不仅提高了集成性能，结构简单，易于制作，而且提高了在实际应用测试过程中的精确度。
【主权项】
1.一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:包括IXN的等功率分束器、NX I的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经NX I的S型功率合成器合成一束光波输出。2.根据权利要求1所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:所述传感分支采用的波导的介质是硅，背景介质是空气，其中硅波导的厚度为220nm，纳米梁宽度Wnb = 700nm，硅的折射率Nsi = 3.46,空气的折射率Nair = 1.003.根据权利要求1所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:一维光子晶体纳米梁带隙滤波器，每条传感分支上，硅波导的宽度W =70nm，厚度h = 220nm，耦合进硅波导中的空气孔A的数目M为偶数，且所有空气孔A半径相同均为ri = 90nm，相邻两个空气孔A中心之间的距离相等。4.根据权利要求3所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:空气孔A的数目M为6，相邻两个空气孔A中心之间的距离&1 = 390nm。5.根据权利要求1所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:一维光子晶体纳米梁微腔传感器，由P个耦合进硅波导的半径变化的空气孔B构成，硅波导的宽度w = 70nm，厚度h = 220nm，整个结构呈左右对称，在对称轴的每一侧各有P/2个空气孔B，并且从中心到末端，空气孔B半径逐渐减小；最中心的两个空气孔的半径为:Tcenter = 120nm，末端空气孔的半径为rend = 85nm，每一侧从中心开始的第i个空气孔B的半径符合公式:r(i)=rcenter+(1-l)2(rend-rcenter)/(imax-l)2，其中，i = l，2，…，5，imax 表示单侧空气孔B的数量;相邻两个空气孔B中心之间的距离相等。6.根据权利要求5所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于:空气孔B的数量为P = 10，相邻两个空气孔B中心之间的距离a2 = 330nm。
【文档编号】G01D5/26GK105973275SQ201610274150
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】杨大全, 杨玉洁, 纪越峰
【申请人】北京邮电大学