一种光子晶体微腔和传感器的制作方法

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种光子晶体微腔和传感器。

背景技术：

随着电子技术的不断发展，对元器件的工艺和性能的要求也越来越高。光子晶体由于其体积小、容量大、具有光子带隙等特点，被逐渐应用到多个领域。其中，一个重要的方面，光子晶体被用于实现光子晶体传感器。且为了实现光的传播，光子晶体传感器在实际的应用过程中需要与光纤耦合。

一般情况下，实现光子晶体传感器的光子晶体主要包括光子晶体微腔。现有技术中，光子晶体微腔是基于长方形、硅材质的晶体层形成的。而光纤是由玻璃或塑料制成的纤维。长方形、硅材质的晶体层与玻璃或塑料制成的纤维之间的耦合需要借助额外的设备才能实现，如此使得，实现光子晶体传感器与光纤耦合的结构变得复杂。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种光子晶体微腔和传感器，以使光子晶体传感器与光纤的耦合更加简便。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种光子晶体微腔，包括：

光纤和形成于所述光纤上规则排列的孔；

所述孔包括半径呈椭圆线递减的第一预设个数n个中心孔和半径相同的第二预设个数m个边缘孔。

可选的，所述光纤直径为纳米级。

可选的，所述规则排列包括：任意两个相邻孔的圆心之间的间隔相等。

可选的，所述中心孔包括：在所述光纤长度方向上、以所述光纤长度方向的中心位置对称的n个孔，且任两个以所述中心位置对称的中心孔的半径相等；

所述边缘孔在所述光纤长度方向上关于所述中心位置对称，且位于所述光纤长度方向的两侧边缘。

可选的，所述n个中心孔的半径通过以下公式计算：

r(i)＝rcenter+i²(rend-rcenter)/(imax)²；

其中，所述r(i)为中心孔i的半径；所述rcenter为与所述中心位置相邻的中间孔的半径，所述rend为与所述边缘孔相邻的中心孔的半径，imax为所述中心孔的总数量。

可选的，所述间隔大小为500-700nm。

可选的，所述第一预设个数n为10-40；所述第二预设个数m为10-50。

第二方面，本发明实施例提供了一种光子晶体传感器，所述光子晶体传感器包括：如第一方面所述的光子晶体微腔，和用于感测经过所述光子晶体微腔的光的感测器。

本发明实施例提供的光子晶体微腔和传感器，包括：光纤和形成于光纤上规则排列的孔；孔包括半径呈椭圆线递减的第一预设个数n个中心孔和半径保持不变的第二预设个数m个边缘孔。可以看出，本发明实施例提供的光子晶体微腔是直接基于光纤形成的，由该光子晶体微腔实现的光子晶体传感器与光纤可以实现直接耦合。而现有技术中，需要借助额外的设备才能实现耦合。如此，本发明实施例中，能够使光子晶体传感器与光纤的耦合变得简便。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光子晶体微腔的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光子晶体微腔的另一种结构示意图；

图3(a)为本发明实施例中检测结果的一种示意图；

图3(b)为本发明实施例中检测结果的另一种示意图；

图4为本发明实施例提供的光子晶体传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例还提供了一种光子晶体微腔，如图1所示，包括：

光纤101和形成于该光纤101上规则排列的孔102；

光子晶体微腔包括的孔102包括半径呈椭圆线递减的第一预设个数n个中心孔1021和半径相同的第二预设个数m个边缘孔1022。

本发明实施例提供的光子晶体微腔是直接基于光纤形成的，由该光子晶体微腔实现的光子晶体传感器与光纤可以实现直接耦合，不需要借助额外的设备。如此，能够使光子晶体传感器与光纤的耦合变得简便。

本发明可选的实施例中，如图2所示。具体地，规则排列可以包括：任意两个相邻孔的圆心之间的间隔a相等。其中，a可以为500-700纳米。本发明实施例一种优选的实现方式中，a为620纳米。另外，本发明实施例中的光纤101可以选择ri(refractiveindex，折射率)为1.45的光纤。

本发明一种可选的实施例中，光纤101的直径w可以为纳米级。具体地，w约为1000nm。本发明实施例一种优选的实现方式中，w为1040纳米。如此能够减小光子晶体微腔的体积，实现光子晶体微腔的小型化。

本发明实施例中，光子晶体微腔包括的孔包括半径呈椭圆线递减的第一预设个数n个中心孔1021，和半径相同的第二预设个数m个边缘孔1022。第一预设个数n可以为10-40；第二预设个数m可以为10-50。

具体地，中心孔可以包括：在光纤长度方向上、以光纤长度方向的中心位置对称的n个孔，其中，光纤长度方向的中心位置如图2中虚线103所示，本发明实施例一种优选的实现方式中第一预设个数n为30个。且任两个以该中心位置对称的中心孔的半径相等，具体地，n个中心孔的半径通过以下公式计算：

r(i)＝rcenter+i²(rend-rcenter)/(imax)²；

其中，r(i)为中心孔i的半径；rcenter为与该中心位置相邻的中间孔的半径，rend为与边缘孔相邻的中心孔的半径，imax为中心孔的总数量。

边缘孔在光纤长度方向上关于该中心位置对称，且位于该光纤长度方向的两侧边缘。本发明实施例一种优选的实现方式中，第二预设个数m为50个。

本发明一种可选的实施例中，与光纤长度方向的中心位置相邻的中间孔的半径rcenter可以为200-300纳米，一种优选的实现方式中，rcenter为230纳米。与边缘孔相邻的中心孔的半径rend可以为为100-200纳米，一种优选的实现方式中，rend为180纳米，如此可以满足gaussianmirror(高斯镜像)的原理，使得光场被很好的局域在折射率较高的介质中。

本发明实施例提供的光子晶体微腔是直接基于光纤形成的，由该光子晶体微腔实现的光子晶体传感器与光纤可以实现直接耦合，不需要借助额外的设备。如此，能够使光子晶体传感器与光纤的耦合变得简便。

另外，因为本发明实施例提供的光子晶体微腔可以实现自动耦合，可以扩大应用场景，如交通，煤矿安全环境等，不需要借助额外的设备即可实现耦合，还可以降低成本，提高实用性。

本发明一种具体的实施例中，分别选取4种不同的待测物，对应4种不同的折射率，将本发明实施例提供的光子晶体微腔分别放置于该4种不同的待测物中，利用3d-fdtd(3dimensions-finite-differencetime-domain,三维有限时域差分法)，通过数值模拟计算光子晶体微腔分别放置于4种待测物中得到的透射图，具体地，得到的透视图如图3(a)所示，其中，横坐标为波长，纵坐标为透射谱。通过透射图可以看出，4种介质中都有1个明显的谐振峰，且4个谐振峰对应波长不同。

如图3(b)所示，谐振波长偏移随折射率的增加而增加。其中，横坐标为折射率，纵坐标为谐振波长偏移。

通过实验分析验证，本发明实施例提供的光子晶体微腔对分析物的敏感性，即灵敏度可以达到579.3纳米/riu(refractiveindexunit，单位折射率)。如此，能够实现光子晶体微腔的高灵敏度。

对应于上述实施例提供的光子晶体微腔，本发明实施例还提供了一种光子晶体传感器，如图4所示。具体地，该光子晶体传感器400包括：光子晶体微腔401，如上述实施例中的光子晶体微腔，和用于感测经过该光子晶体微腔的光的感测器402。

本发明实施例一种可选的实施例中，将光子晶体传感器放置在不同浓度的气体或液体环境中，利用光在不同环境中折射率的变化，显示不同的探测结果。具体地，将光子晶体传感器置入待测气体环境中，光首先从左侧进入，此处所说的左侧可以如图4中箭头403所示方向。光进入后会产生光子禁带效应及引入缺陷形成导模，只会有单一波长的光能通过该光子晶体微腔，并被感测器在尾端检测。

一般情况下，通过fom(传感性能参数，figureofmerit)评价传感器的性能。具体地，fom＝s·q/λ，其中，s是传感器的灵敏度，q是传感器的品质因数，λ是波长。

上述光子晶体微腔的实施例中，本发明实施例提供的光子晶体微腔，可以实现高品质因数和高灵敏度。本发明实施例一种可选的实施例中，传感器的传感性能参数fom可以高达4×10⁵。如此，本发明实施例提供的光子晶体传感器，能够提高传感器的性能。

需要说明的是，本发明实施例提供的光子晶体传感器是应用上述光子晶体微腔的传感器，则上述光子晶体微腔的所有实施例均适用于该光子晶体传感器，且均能达到相同或相似的有益效果。

本发明实施例提供的光子晶体传感器中包括的光子晶体微腔，是直接基于光纤形成的，由该光子晶体微腔实现的光子晶体传感器与光纤可以实现直接耦合，不需要借助额外的设备。如此，能够使光子晶体传感器与光纤的耦合变得简便。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于光子晶体传感器的实施例而言，由于其基本相似于光子晶体微腔的实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。