一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构的制作方法

本发明涉及一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。

背景技术：

近年来，基于光子晶体器件如光子晶体波导(文献1：A.Goyal and S.Pal,“Design and simulation of high sensitive photonic crystal waveguide sensor,”Optik,vol.126,pp.240–243,Jan.2015)、光子晶体微腔(文献2：P.Zhang,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,J.Zhou,L.Huang,Y.Ji,“Radius vertical graded nanoscale interlaced-coupled photonic crystal sensors array,”Opt.Commun.,vol.355,pp.331–336,May.2015)和光子晶体环形谐振腔(文献3：P.Sharma and P.Sharan,“Design of photonic crystal based ring resonator for detection of different blood constituents,”Opt.Commun.,vol.348,pp.19–23,Aug.2015)等的传感器被广泛应用在生物传感(文献4：D.Wang,Y.Liu,L.Yuan,J.Lei,X.Li,G.Wu,S.Hou,“An efficient optical biochemical sensor based on a polyatomic photonic crystal ring resonator,”Opt.Commun.,vol.372,pp.160–165,Apr.2016)、压力传感(文献5：S.Olyaee and A.Dehghani,“Nano-pressure sensor using high quality photonic crystal cavity resonator,”in CSNDSP,2012,paper 2,p.1–4)、和温度传感(文献6：S.Robinson and R.Nakkeeran,“PC Based Optical Salinity Sensor for Different Temperatures,”Photonic Sens.,vol.2,pp.187–192,Feb.2012)等领域。由于尺寸小、品质因数Q值高等优点，许多直接耦合光子晶体微腔传感器(文献7：Y.Liu and H.Salemink,“All-optical on-chip sensor for high refractive index sensing in photonic crystals,”EPL,vol.107,pp.34008,Aug.2014；文献8：X.Qian,Y.Zhao,Y.Zhang,Q.Wang,“Theoretical research of gas sensing method based on photonic crystal cavity and fiber loop ring-down technique,”Sens.Actuators B,vol.228,pp.665–672,Jan.2016；文献9：J.Zhou,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,and Y.Ji,“Integration of high transmittance photonic crystal H2nanocavity and broadband W1waveguide for biosensing applications based on Silicon-on-Insulator substrate,”Opt.Commun.,vol.330,pp.175–183,May.2014)被先后提出。这些直接耦合传感器有的具有高的灵敏度S，有的具有高的品质因数Q，但是因为不能同时具有高灵敏度S和高的品质因数Q，导致传感器的整体性能FOM＝Q×S/λ_res比较低，只有几百。为了提高光子晶体直接耦合微腔传感器的整体性能，提出了一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。

(二)技术方案

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。它由圆形空气柱在硅板上周期性排列构成光子晶体。空气柱的排列呈长方形。将中间一行两侧的空气孔移除只剩中间的七个，两侧形成W1波导。在最中心的空气孔与其周围六个空气孔构成的六个等边三角形中心的位置分别放置一个小空气孔，其半径远小于晶格常数，最后将最中心的空气孔移除，形成多小孔缺陷腔。

本发明技术方案的进一步优化方案为：

所述的构成光子晶体的硅板厚度为240nm,折射率为3.48。

所述光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为11×23，结构尺寸为5μm×10.5μm。

所述的光子晶体为三角晶格，晶格常数为a＝460nm。半径r＝0.32a。每个分支的W1波导宽度为其中a为所述光子晶体的晶格常数。

在本发明技术方案中，改变六个小孔的半径，可调节多小孔缺陷腔的品质因数Q。

在本发明技术方案中，改变中间两侧的第二个空气孔向左右两边移动距离L，可调节多小孔缺陷腔的品质因数Q。

本发明的原理是，通过在缺陷腔中引入多个小孔，增加缺陷腔区域的表面积，进而增加缺陷腔的品质因数Q和灵敏度S，达到增加传感器性能FOM的目的。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.尺寸小，结构简单；

2.在缺陷腔中引入多个小孔，增加缺陷腔区域的表面积，进而增加了缺陷腔的品质因数Q和灵敏度S。多小孔缺陷腔的品质因数Q最高可达71881，灵敏度可达236nm/RIU。

3.本发明提供的光子晶体直接耦合微腔传感器性能参数FOM高达11238，较其他直接耦合微腔传感器的性能参数FOM提高了两个量级。

附图说明

图1是本发明实施提供的基于多小孔缺陷直接耦合微腔的光子晶体传感器结构示意图，其中插图是多小孔缺陷腔的放大图。

图2是利用PWE方法计算得到的TE极化的完美光子晶体的能带图。

图3(a)是利用FDTD方法计算得到的图1中L＝0，小孔半径r_mini从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线。

图3(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中小孔半径r_mini变化的规律。

图4(a)是利用FDTD方法计算得到的图1中r_mini＝0.1a，空气孔移动距离L从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线。

图4(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中空气孔移动距离L变化的规律。

图5是本发明实施提供的性能最优的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器的透射曲线和在谐振频率处的场图，最优化参数为r_mini＝0.1a，L＝0.06a。

图6是本发明实施提供的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器用作传感的区域图，折射率改变的空气孔个数N＝18。

图7(a)是图6中传感区域内的空气孔折射率n在1到1.08范围内变化时，利用FDTD方法计算得到的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器透射曲线，其中Δλ为谐振波长由于折射率变化所产生的偏移。

图7(b)是多小孔缺陷腔的谐振波长与折射率变化的关系曲线图。

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，以下结合附图，对发明进一步详细说明。

首先，本发明实施提供的基于多小孔缺陷直接耦合微腔的光子晶体传感器结构示意图如图1所示。其中，光子晶体的硅板厚度为240nm，折射率为3.48。光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为11×23，排列成三角晶格，晶格常数为a＝460nm。半径r＝0.32a。W1波导宽度为将中间一行两侧的空气孔移除只剩中间的七个，两侧形成W1波导。在最中心的空气孔与其周围六个空气孔构成的六个等边三角形中心的位置分别放置一个小空气孔，其半径远小于晶格常数，记为r_mini。最后将最中心的空气孔移除，形成多小孔缺陷腔。中间两侧的第二个空气孔分别向左右两边移动距离L。插图是多小孔缺陷腔的放大图。

利用PWE方法计算得到完美光子晶体TE极化的能带结构图。如图2所示，其纵坐标是归一化频率(2πc/a)，可以看到光子带隙从0.257到0.34，对应的波长范围就是1350nm到1790nm，足够用作设计传感结构。

为了提高多小孔缺陷微腔的品质因数Q，接下来对多小孔缺陷微腔的参数小孔半径r_mini进行优化。

图3(a)是利用FDTD方法计算得到的图1中L＝0，小孔半径r_mini从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线。幅度归一化于光源强度。小孔半径r_mini从0增加到0.14a时，由于缺陷腔区域内低折射率介质的增多，多小孔缺陷腔的谐振波长向高频(蓝移)。品质因数Q定义为Q＝λ_res/δλ，其中λ_res代表谐振波长，δλ代表半高全宽。图3(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中小孔半径r_mini变化的规律。当r_mini＝0,L＝0时，品质因数Q为19394，随着r_mini的增加，多小孔缺陷腔的品质因数Q先增加后减小。当r_mini＝0.1a时多小孔缺陷腔的品质因数Q达到最大为50041，相对于没有引入小孔之前提高了将近3倍。

为了进一步的提高多小孔缺陷腔的品质因数Q，当r_mini＝0.1a保持不变时，改变中间两侧的第二个空气孔向左右两边移动距离L，观察其对多小孔缺陷腔的品质因数Q值的影响。

利用FDTD方法计算得到的图1中r_mini＝0.1a，空气孔移动距离L从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线，如图4(a)所示。当L增加时，由于缺陷腔区域内高折射率介质的增多，多小孔缺陷腔的谐振波长向低频(红移)。图4(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中空气孔移动距离L变化的规律。随着L的增加，多小孔缺陷腔的品质因数Q先增加后减小。当L＝0.06a时多小孔缺陷腔的品质因数Q达到最大为71881，相对于其他直接耦合传感器提高了一个数量级。

因此本发明实施提供的性能最优的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器的结构参数为r_mini＝0.1a，L＝0.06a，其透射曲线和在谐振频率处的场图如图5所示。由图可知，在透射谱中包含一个狭窄的谐振峰，在微腔区域内有强的光场局域。

接下来研究光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器的灵敏度。光子晶体传感器的灵敏度S定义为Δλ/Δn，改变多小孔缺陷微腔周围空气孔的折射率会引起谐振波长的偏移。图6是本发明实施提供的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器用作传感的区域图，折射率改变的空气孔个数N＝18。当图6中折射率n在1到1.08范围内变化时，利用FDTD方法计算得到的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器透射曲线如图7(a)所示。当折射率n逐渐增大时，多小孔缺陷腔的透射峰逐渐向长波长方向移动。图7(b)是多小孔缺陷腔的谐振波长与折射率变化的关系曲线图。由图7(b)可知，多小孔缺陷腔的谐振波长与折射率的变化呈线性关系，其斜率即为光子晶体传感器的灵敏度S(Δλ/Δn)。本发明实施提供的光子晶体传感器的灵敏度S为213.7nm/RIU，FOM计算可得10176。当所有空气孔均作为传感区域时，其灵敏度可达236nm/RIU，Q＝71881则FOM计算可得11238。