本發(fā)明涉及溫度傳感器，尤其是涉及一種介質(zhì)柱型光子晶體波導(dǎo)與微腔耦合的溫度傳感器。

背景技術(shù)：

光子晶體是一種具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于光子晶體具有的光子禁帶和光子局域等特性，其被廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。目前光子晶體傳感器的研究主要集中于光子晶體壓力傳感器、生物傳感器和折射率傳感器，而光子晶體溫度傳感器的研究相對(duì)較少。與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，光子晶體溫度傳感器具有體積小，靈敏度高，易于集成等優(yōu)點(diǎn)。其中，(文獻(xiàn)1，C.S.Mallika,Indira Bahaddur,P.C.Srikanth,Preeta Sharan，Photonic crystal ring resonator structure for temperature measurement，Optik，2015(126):2252-2255)，利用光子晶體波導(dǎo)與環(huán)形腔耦合，環(huán)形腔的設(shè)計(jì)相較于其他光子晶體和光纖傳感器，靈敏度有顯著的提高；(文獻(xiàn)2，Abdesselam Hocini,Ahlam Harhouz,Modeling and analysis of the temperature sensitivity in two-dimensional photonic crystal microcavity,Journal of Nanophotonics,2016,10(1):016007-1-10)，基于微腔的介質(zhì)柱數(shù)目和半徑，對(duì)光子晶體溫度傳感器的靈敏度進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化結(jié)果靈敏度為84pm/℃。上述光子晶體溫度傳感器都是單直線波導(dǎo)與微腔耦合構(gòu)成，為單傳感測(cè)量，無(wú)法滿足片上實(shí)驗(yàn)室或片上系統(tǒng)中不同微小區(qū)域的多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供可實(shí)現(xiàn)4個(gè)微小區(qū)域?qū)崟r(shí)同步溫度傳感的一種介質(zhì)柱型光子晶體波導(dǎo)與微腔耦合的溫度傳感器。

本發(fā)明設(shè)有光子晶體T型波導(dǎo)、4個(gè)L3型微腔和4個(gè)線型波導(dǎo)；

所述光子晶體T型波導(dǎo)的輸入端用于射入光源，光子晶體T型波導(dǎo)的輸出端分別與4個(gè)L3型微腔耦合，4個(gè)L3型微腔具有不同的諧振頻率，并分別產(chǎn)生4個(gè)不同的諧振波峰，4個(gè)L3型微腔的不同諧振頻率的光耦合進(jìn)入對(duì)應(yīng)的4個(gè)線型波導(dǎo)中，4個(gè)線型波導(dǎo)通過(guò)探測(cè)器接收到4個(gè)不同的諧振波峰的透射譜。

所述光子晶體T型波導(dǎo)可采用四方晶格介質(zhì)柱光子晶體T型波導(dǎo)；所述光子晶體中的背景介質(zhì)可為空氣，所述介質(zhì)柱的材料可采用硅。

所述光子晶體中，晶格常數(shù)a為400nm，介質(zhì)柱的半徑r＝0.3a。

所述介質(zhì)柱的相對(duì)介電常數(shù)為11.9，背景介質(zhì)空氣的折射率為1.00。

所述4個(gè)L3型微腔是改變臨近L3型微腔的兩個(gè)介質(zhì)柱的半徑而形成的，半徑分別為r’＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通過(guò)設(shè)計(jì)使每個(gè)微腔的諧振頻率相互獨(dú)立，并且都位于光子晶體T型波導(dǎo)導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)，便于透射譜的分析。

本發(fā)明首先利用平面波展開(kāi)法計(jì)算硅基的光子晶體能帶；設(shè)計(jì)光子晶體T型波導(dǎo)，使得溫度感知區(qū)域之間有一定距離，減小不同區(qū)域內(nèi)的溫度串?dāng)_；設(shè)計(jì)光子晶體L3型微腔，利用時(shí)域有限差分法對(duì)微腔的諧振特性進(jìn)行仿真。根據(jù)公式S＝Δλ/ΔT，得出相應(yīng)光子晶體溫度傳感器的靈敏度，其中Δλ表示諧振波峰的偏移量；ΔT表示感知區(qū)域內(nèi)溫度的變化量。

在光子晶體T型波導(dǎo)附近引入4個(gè)不同的L3型微腔。當(dāng)光源從T型波導(dǎo)輸入端射入時(shí)，通過(guò)光子晶體T型波導(dǎo)分別與4個(gè)不同的L3型微腔耦合。由于每個(gè)L3型微腔具有不同的諧振頻率，產(chǎn)生4個(gè)不同的諧振波峰。4個(gè)不同諧振頻率的光耦合進(jìn)入對(duì)應(yīng)的線型波導(dǎo)中，從而通過(guò)探測(cè)器接收到4個(gè)不同諧振波峰的透射譜。

當(dāng)分別改變某個(gè)溫度感知區(qū)域內(nèi)的溫度時(shí)，由于熱光效應(yīng)，光子晶體折射率會(huì)隨溫度而線性改變(線性變化可以由公式n(T)＝n₀+αΔT表示，其中n₀表示溫度為0℃時(shí)硅的折射率，α表示光子晶體的熱光系數(shù)，ΔT表示感知區(qū)域內(nèi)溫度的變化量)；同時(shí)由于熱膨脹，硅介質(zhì)柱會(huì)因受熱而產(chǎn)生形變，假設(shè)硅自由膨脹，各個(gè)方向產(chǎn)生相同的線應(yīng)變(線應(yīng)變可以由公式ξ＝εΔT表示，其中ε表示硅的熱膨脹系數(shù)，ΔT表示感知區(qū)域內(nèi)溫度的變化量)。從而導(dǎo)致透射譜中對(duì)應(yīng)的L3型微腔的諧振波峰發(fā)生偏移，其他微腔的諧振波峰保持不變。即每個(gè)傳感區(qū)域可以獨(dú)立工作，互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)了微小區(qū)域內(nèi)不同溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明是基于四方晶格介質(zhì)柱光子晶體波導(dǎo)與微腔耦合實(shí)現(xiàn)的，由四方晶格介質(zhì)柱光子晶體T型波導(dǎo)、4個(gè)不同的L3型微腔和4個(gè)線型波導(dǎo)耦合而成。其中光子晶體波導(dǎo)與微腔結(jié)構(gòu)可以在硅片上通過(guò)FIB(聚焦離子束)或EBL(電子束曝光)實(shí)現(xiàn)。

所述光子晶體T型波導(dǎo)提供了四個(gè)不同的溫度測(cè)量區(qū)域。T型波導(dǎo)與微腔的耦合使得溫度感知區(qū)域之間存在一定的距離，減小不同區(qū)域間的溫度串?dāng)_。

所述光子晶體溫度傳感器，利用測(cè)量區(qū)域內(nèi)溫度改變對(duì)介質(zhì)柱產(chǎn)生線應(yīng)變及光子晶體折射率的改變，根據(jù)透射譜中的諧振波峰的偏移量來(lái)完成對(duì)不同區(qū)域溫度變化的檢測(cè)。

所述光子晶體溫度傳感器具有較高的靈敏度，為61.5pm/℃。靈敏度(S)可表示為：S＝Δλ/ΔT，其中△λ是諧振波峰的偏移量；△T是感知區(qū)域內(nèi)溫度的變化量。當(dāng)感知區(qū)域內(nèi)溫度發(fā)生變化時(shí)，微腔的諧振頻率也隨之發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量和分析透射譜中諧振波峰的偏移量，即可得到光子晶體溫度傳感器的靈敏度S。

本發(fā)明首次提出利用四方晶格介質(zhì)柱型光子晶體T型波導(dǎo)與4個(gè)L3型微腔耦合構(gòu)成的溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)4個(gè)微小區(qū)域?qū)崟r(shí)同步溫度傳感。

與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小，易于集成；2.T型波導(dǎo)與微腔的耦合使得溫度感知區(qū)域之間存在一定的距離，減小不同區(qū)域內(nèi)的溫度串?dāng)_；3.通過(guò)透射譜的諧振波峰偏移檢測(cè)溫度變化，靈敏度高；4.實(shí)現(xiàn)溫度傳感陣列，可應(yīng)用于片上實(shí)驗(yàn)室或片上系統(tǒng)中不同微小區(qū)域的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)模型示意圖。其中包含光子晶體T型波導(dǎo)1、4個(gè)L3型微腔2和4個(gè)線型波導(dǎo)3，其中晶格常數(shù)a為400nm，介質(zhì)柱的半徑r為120nm，L3型微腔臨近介質(zhì)柱半徑r’，分別為0.3a,0.26a,0.18a,0.16a；介質(zhì)柱(硅)的相對(duì)介電常數(shù)為11.9，背景介質(zhì)空氣的折射率為1.00。

圖2是本發(fā)明的應(yīng)用示意圖。其中包含本發(fā)明所述介質(zhì)柱型光子晶體波導(dǎo)與微腔耦合的溫度傳感器、光源A和探測(cè)器B。

圖3是本發(fā)明在溫度為0℃時(shí)的透射譜。4個(gè)L3型微腔的諧振波長(zhǎng)分別為1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。

圖4是本發(fā)明改變第4個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖5是本發(fā)明改變第3個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖6是本發(fā)明改變第2個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖7是本發(fā)明改變第1個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖8是本發(fā)明的整體測(cè)量系統(tǒng)，包括1550nm激光器81、第一透鏡光纖82、光子晶體溫度傳感器芯片83、第二透鏡光纖84、光譜儀85、計(jì)算機(jī)86。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有光子晶體T型波導(dǎo)1、4個(gè)L3型微腔2和4個(gè)線型波導(dǎo)3；所述光子晶體T型波導(dǎo)1的輸入端用于射入光源，光子晶體T型波導(dǎo)1的輸出端分別與4個(gè)L3型微腔2耦合，4個(gè)L3型微腔2具有不同的諧振頻率，并分別產(chǎn)生4個(gè)不同的諧振波峰，4個(gè)L3型微腔2的不同諧振頻率的光耦合進(jìn)入對(duì)應(yīng)的4個(gè)線型波導(dǎo)3中，4個(gè)線型波導(dǎo)3通過(guò)探測(cè)器接收到4個(gè)不同的諧振波峰的透射譜。

所述光子晶體T型波導(dǎo)1可采用四方晶格介質(zhì)柱光子晶體T型波導(dǎo)；所述光子晶體中的背景介質(zhì)可為空氣，所述介質(zhì)柱的材料可采用硅。

所述光子晶體中，晶格常數(shù)a為400nm，介質(zhì)柱的半徑r＝0.3a。

所述介質(zhì)柱的相對(duì)介電常數(shù)為11.9，背景介質(zhì)空氣的折射率為1.00。

所述4個(gè)L3型微腔是改變臨近L3型微腔的兩個(gè)介質(zhì)柱的半徑而形成的，半徑分別為r’＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通過(guò)設(shè)計(jì)使每個(gè)微腔的諧振頻率相互獨(dú)立，并且都位于光子晶體T型波導(dǎo)導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)，便于透射譜的分析。

其中包含了T型光子晶體波導(dǎo)和4個(gè)結(jié)構(gòu)不同的L3型光子晶體微腔。其中對(duì)與L3型微腔臨近的兩個(gè)介質(zhì)柱半徑進(jìn)行改變，半徑為r’。晶格常數(shù)為400nm，介質(zhì)柱半徑為120nm，背景空氣折射率為1.0，介質(zhì)柱硅的折射率為n_si＝sqrt(11.9)。當(dāng)與L3型微腔臨近的兩個(gè)介質(zhì)柱半徑改變時(shí)，諧振腔的諧振波峰都會(huì)隨之變化。通過(guò)設(shè)計(jì)使得每個(gè)微腔的諧振頻率之間相互獨(dú)立，并且都位于光子晶體T型波導(dǎo)導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)，便于透射譜的分析。

圖2給出本發(fā)明的應(yīng)用示意圖。其中包含本發(fā)明所述介質(zhì)柱型光子晶體波導(dǎo)與微腔耦合的溫度傳感器、光源A和探測(cè)器B。

圖3給出本發(fā)明在溫度為0℃時(shí)的透射譜。4個(gè)L3型微腔的諧振波長(zhǎng)分別為1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。

圖4給出本發(fā)明改變第4個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖5給出本發(fā)明改變第3個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖6給出本發(fā)明改變第2個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖7給出本發(fā)明改變第1個(gè)L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖8給出本發(fā)明的整體測(cè)量系統(tǒng)，包括1550nm激光器81、第一透鏡光纖82、光子晶體溫度傳感器芯片83、第二透鏡光纖84、光譜儀85、計(jì)算機(jī)86；1550nm脈沖光從激光器81中射出，通過(guò)第一透鏡光纖82耦合進(jìn)光子晶體溫度傳感器芯片83的前端波導(dǎo)之中，在后端波導(dǎo)之中再次利用第二透鏡光纖84引出，連接至光譜儀85上，調(diào)節(jié)1550nm激光器81的光波長(zhǎng)，記錄光譜儀85上的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)86進(jìn)行濾波處理后得到平整的透射光譜。

本發(fā)明將熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)對(duì)硅的影響引入到光子晶體微腔諧振模式的計(jì)算，得出透射譜中諧振峰值的偏移量與溫度的關(guān)系，從而得到光子晶體溫度傳感器的靈敏度。在光子晶體T型波導(dǎo)附近引入多個(gè)不同的L3型微腔，并且使得所有微腔的諧振頻率都位于波導(dǎo)導(dǎo)模所覆蓋的頻率范圍之內(nèi)。由于不同的L3型微腔對(duì)應(yīng)的諧振頻率不同，并且各個(gè)微腔的諧振頻率相互獨(dú)立，所以透射譜中會(huì)產(chǎn)生與L3型微腔個(gè)數(shù)相同的波峰，從而實(shí)現(xiàn)光子晶體溫度傳感。相較于其他光子晶體溫度傳感器，本發(fā)明通過(guò)T型波導(dǎo)與L3型微腔的耦合使得溫度感知區(qū)域之間存在一定的距離，減小不同區(qū)域間的溫度串?dāng)_。由于該傳感器體積小，靈敏度高，易于集成等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于片上實(shí)驗(yàn)室或片上系統(tǒng)中不同微小區(qū)域的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。