一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，包括一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器，一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器串联。本发明结构设计简单紧凑，尺寸大约在～0.7μm×10μm，实际制作简单，然而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，而且对于微纳加工制备技术精度要求非常高，实际制作困难。
【专利说明】
一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，属于光子晶体微纳集成技术领域。
【背景技术】
[0002]在过去的十年中，具有超高品质因数(Q值)和超低模式体积(Vm)的一维光子晶体(PC)纳米束微腔已经被证实在不同领域有很大的应用优势。例如，纳米束激光器(文献I，P.Lee ,T.Lu,and L.Chiu,uDielectric-Band Photonic Crystal Nanobeam Lasers，，，Journal of Lightwave Technology，Vol.31，pp.36-42，2013.)，滾降滤波器(文献2，X.Ge，Y.Shi,and S.He，“Ultra-compact channel drop filter based on photonic crystalnanobeam cavities utilizing a resonant tunneling effect，，，Opt.Lett.Vol.39，pp.6973 _6 976，2014.)，电光调制器(文献3，<]".Hendrickson，R.Soref，J.Sweet，andff.Buchwaldj ''Ultrasensitive silicon photonic-crystal nanobeam electro-opticalmodulator: Design and simulat1n，，，Opt.Exp.，Vol.22 ,pp.3271-3283,2014.)，纳米粒子捕获(文南犬4，S.Lin，J.Hu，L.KimerIing，and K.Crozier , “Design of nanoslottedphotonic crystal waveguide cavities for single nanoparticle trapping anddetect1n/’Opt.Lett.Vol.34，pp.3451-3453，2009.)，光机械(文献5，T.Lin，C.Lin，J.Hsu，“Strong Optomechanical Interact1n in Hybrid Plasmonic-Photonic CrystalNanocavities with Surface Acoustic Waves Scientific Reports，Vol.5，13782，2015.)，量子点(文献6，Y.Zhang，C.Zeng，H.Zhang，D.Li，G.Gao，Q.Huang，Y.Wang，J.Yu，andJ.Xia，“Single-Mode Emiss1n From Ge Quantum Dots in Photonic Crystal NanobeamCavity，，，IEEE Photonics Technology Lett.，Vol.27，pp.1026-1029，2015.)，纳米LED(文南犬7，R.Miura，S.1mamura，R.0hta,A.1shii,X.LiujT.Shimada，S.1wamoto，Y.Arakawa，andY.K.Katoj aUltralow mode-volume photonic crystal nanobeam cavities for high-efficiency coupling to individual carbon nanotube emitters Nat.Comm.Vol.5,p.5580 , 2014.文献8，Y.Li，K.Cui，X.Feng，Y.Huang，D.Wang，Z.Huang，and ff.Zhang，“Photonic Crystal Nanobeam Cavity With Stagger Holes for Ultrafast DirectlyModulated Nano-Light-Emitting D1des，，，IEEE Photonics Journal，Vol.5，n0.I，4700306,2011.)，慢光增强非线性效应(文献9，S.Makino，Y.Ishizaka，K.Saitoh，andM.Koshibaj uSlow-Light-Enhanced Nonlinear Characteristics in Slot WaveguidesComposed of Photonic Crystal Nanobeam Cavities，，，IEEE Photonic Journal，Vol.5，p.2700309,2013.)等4寺别地，由于超高Q/Vm值的光学谐振腔增强了光与物质的相互作用，将一维光子晶体微腔应用于Lab-on-a-Chip领域实现具有高品质因数的光学传感最近吸引了很多研究人员的关注 D (文献 10，D.Yang，H.Tian，Y.Ji，and Q.Quan，“Design ofsimultaneous high—Q and high-sensitivity photonic crystal refractive indexsensors/'J.0pt.Soc.Am.B ,Vol.30 ,n0.8 ,pp.2027-2031，2013.文献11，D.Yang ,S.Kita,F.Liang,C.Wang,H.Tian,Y.Ji,M.Loncar,and Q.Quan,uHigh sensitivity and high Q-factor nanoslotted parallel quadrabeam photonic crystal cavity for real-timeand label-free sensing/'Appl.Phys.Lett.,Vol.105,063118,2014.)通过实验已经证实基于多束并行一维光子晶体纳米束微腔集成传感器的品质因数(FOM = Figure of Merit)能够超过2000，比以往的基于传统的二维光子晶体微腔的光学传感器提高了一个数量级。然而，长条形的一维光子晶体纳米束微腔在其透射谱上有多个谐振波长，这使得它们难以被用于实现密集集成传感器阵列和复用传感。另外，这也使得它们难以实现智能筛选检测，因为它在实际检测处理过程中，可能选择一个错误的谐振波长(例如其他高阶低FOM模式)而不是可实现高FOM的基模(FM=Fundmental Mode)，这将导致传感检测结果不精确。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，本发明利用结构简单的一维光子晶体结构，将一维光子晶体纳米束带隙滤波器与一维光子晶体纳米束微腔串联在一起，滤去其它高阶模式而保留基模，实现了高品质因子和高灵敏度的光子晶体集成传感器的设计与应用，不仅结构设计简单，而且提高了在实际应用测试过程中的精确度。本发明可应用于实现密集集成传感器阵列和复用传感，同时可进一步应用于光子集成光路(PICs = Photonic IntegratedCircuits)。
[0004]—种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，包括一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器，一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器串联。
[0005]与传统光子晶体集成器件相比，本发明具有体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。
[0006]与同类光子晶体集成器件相比，本发明还有如下几个优点:
[0007]1、本发明结构设计简单紧凑，尺寸大约在?0.7μπιΧ10μπι，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，而且对于微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；
[0008]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；
[0009]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，例如高品质因子(Q = quality factor)，谐振峰位置，灵敏度等。
【附图说明】
[0010]图1是基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器的模型示意图。
[0011 ]图2是一维光子晶体纳米束微腔传感器结构示意图。
[0012]图3—维光子晶体纳米束带隙滤波器结构示意图。
[0013]图4是本发明中的一维光子晶体纳米束微腔传感器的透射图。
[0014]图5是基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器的透射
4並L曰O
[0015]图6是本发明中的一维光子晶体级联结构在不同的背景介质下得到的透射谱。
[0016]图7是谐振峰的波长和背景介质的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0017]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0018]本发明是一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，如图1所示，包括一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器，一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器串联；
[0019]制作时，娃波导位于二氧化娃平板上，娃波导宽度为W，厚度为h，长度为L，娃波导一部分设有相同半径的空气孔，空气孔等间距设置，形成纳米束带隙滤波器，硅波导另一部分设有半径不同的空气孔，空气孔的半径关于中心对称，在每一侧，空气孔半径从中心到端点逐渐减小，空气孔等间距设置(每个空气孔的中心点等间距)，形成微腔传感器；
[0020]—维光子晶体纳米束微腔传感器的放大图，如图2所示，其Q值>107，它由单一的一维光子晶体纳米束微腔构成，空气孔的半径关于中心对性，在每一侧，空气孔半径从中心到端逐渐减小，设空气孔之间的距离a2 = 330nm，中间的空气孔半径为rcenter = 120nm，最端点的空气孔半径为rend = 85nm，则空气孔的半径符合公式:
[0021 ] r ( I ) = Tcenter+ ( I "I ) 2 ( TendTcenter ) / (imax—1)2
[0022]其中，i表示空气孔的数目，1从1开始取值，i是自然数，imax表示硅波导上所取的空气孔数目，i的取值范围为O至imax。
[0023]纳米束带隙滤波器的放大图，如图3所示，它由单一完美的一维光子晶体纳米束波导构成，它的空气孔半径是相同的，设空气孔半径ri = 90nm，空气孔之间的距离ai = 390nm。
[0024]所述的一维光子晶体纳米束中，介质是硅，背景介质是空气。其中硅波导的厚度为220nm，硅波导宽度Wnb = 700nm，硅波导长度为10um，硅的折射率NSi = 3.46，空气孔的折射率
Nair=1-Oo
[0025]所述光子晶体传感器的折射率灵敏度(S)可以表示为:S=Δλ/Δη，其中Δλ是谐振波长峰值的偏移量；A λ是感知区域内折射率的变化量。当感知区域内折射率发生变化时，谐振腔的谐振频率也随之发生偏移，通过测量和分析反射谱中谐振波长峰值的偏移变化，即可得到光子晶体传感器的灵敏度。
[0026]一维光子晶体集成传感器中的空气孔的半径r，空气孔之间的距离a，空气孔的数目i，硅波导的宽度w和厚度h，任何一个参数发生变化时，谐振波长峰值都会发生偏移。因此可以通过合理的设计各个结构参数来构成一维光子晶体纳米束波导与微腔级联结构的折射率传感器的基本结构。
[0027]利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)，通过仿真软件对其能带图、场图透射谱进行仿真，可以从中看出，本发明实现的高灵敏度微纳传感器，其折射率灵敏度大小为?126.7nm/RIU0
[0028]图4是一维光子晶体纳米束微腔结构得到的透射图，它的横坐标为波长，纵坐标为透射谱，其中有3个谐振峰，其中谐振峰I为用于传感的基模。现在需要用第一个谐振峰(也就是基模)进行传感，只保留第一个谐振峰，微腔传感器的精确度就高，所以要在它的透射谱上滤去后面两个峰而只保留基模。
[0029]图5是基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器的透射谱，它的横坐标为波长，纵坐标为透射谱，加上滤波器以后，滤去了其它高阶模式，只保留了基模I。图5就是传感器和滤波器串联以后的透射谱，图上可以看出只剩下第一个谐振峰，后面的滤掉了。
[0030]图6是一维光子晶体级联结构在不同的背景介质下得到的透射谱，它的横坐标为波长，纵坐标为透射谱，其中背景介质的折射率分别为1.0、1.1、1.2和1.3，对应的曲线分别为图中所示的1，2，3，4。
[0031]图7是谐振峰的波长和背景介质的关系曲线图，它的横坐标为折射率，纵坐标为谐振波长，随着背景介质折射率的增大，谐振峰的波长向长波长方向偏移。
【主权项】
1.一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，包括一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器，一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器串联。2.根据权利要求1所述的一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，所述的一维光子晶体纳米束带隙滤波器和纳米束微腔传感器是: 硅波导宽度为w，厚度为h，长度为L，硅波导一部分设有相同半径的空气孔，空气孔等间距设置，形成纳米束带隙滤波器，硅波导另一部分设有半径不同的空气孔，空气孔的半径关于中心对称，在每一侧，空气孔半径从中心到端点逐渐减小，空气孔等间距设置，形成纳米束微腔传感器。3.根据权利要求2所述的一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，所述的纳米束微腔传感器中空气孔半径从中心到端点逐渐减小具体为: 设空气孔之间的距离a2 = 330nm，中间的空气孔半径为rcenter = 120nm，最端点的空气孔半径为rend = 85nm，则空气孔的半径符合公式:r(i)=r center + (i_l) (Tend-Γcenter )/( imax-1 ) 其中，i表示空气孔的数目，i从I开始取值，i是自然数，imax表示硅波导上所取的空气孔数目。4.根据权利要求2所述的一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，所述的纳米束带隙滤波器中空气孔具体为:空气孔半径η = 90ηπι，空气孔之间的距离ai = 390nm。5.根据权利要求2所述的一种基于纳米束波导滤波器与微腔级联结构的一维光子晶体集成传感器，所述的硅波导厚度为220nm，宽度为700nm，长度为1um0
【文档编号】G01N21/43GK105954234SQ201610274148
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】杨大全, 王波, 纪越峰
【申请人】北京邮电大学