一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，包括一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器，一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器串聯(lián)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單緊湊，尺寸大約在～0.7μm×10μm，實(shí)際制作簡單，然而同類高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)模型都是基于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜，而且對于微納加工制備技術(shù)精度要求非常高，實(shí)際制作困難。
【專利說明】
一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，屬于光子晶體微納集成技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的十年中，具有超高品質(zhì)因數(shù)(Q值)和超低模式體積(Vm)的一維光子晶體(PC)納米束微腔已經(jīng)被證實(shí)在不同領(lǐng)域有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。例如，納米束激光器(文獻(xiàn)I，P.Lee ,T.Lu,and L.Chiu,uDielectric-Band Photonic Crystal Nanobeam Lasers，，，Journal of Lightwave Technology，Vol.31，pp.36-42，2013.)，滾降濾波器(文獻(xiàn)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.)，電光調(diào)制器(文獻(xiàn)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.)，納米粒子捕獲(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.)，光機(jī)械(文獻(xiàn)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.)，量子點(diǎn)(文獻(xiàn)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.)，納米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.文獻(xiàn)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.)，慢光增強(qiáng)非線性效應(yīng)(文獻(xiàn)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寺別地，由于超高Q/Vm值的光學(xué)諧振腔增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用，將一維光子晶體微腔應(yīng)用于Lab-on-a-Chip領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)具有高品質(zhì)因數(shù)的光學(xué)傳感最近吸引了很多研究人員的關(guān)注 D (文獻(xiàn) 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.文獻(xiàn)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.)通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)基于多束并行一維光子晶體納米束微腔集成傳感器的品質(zhì)因數(shù)(FOM = Figure of Merit)能夠超過2000，比以往的基于傳統(tǒng)的二維光子晶體微腔的光學(xué)傳感器提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，長條形的一維光子晶體納米束微腔在其透射譜上有多個(gè)諧振波長，這使得它們難以被用于實(shí)現(xiàn)密集集成傳感器陣列和復(fù)用傳感。另外，這也使得它們難以實(shí)現(xiàn)智能篩選檢測，因?yàn)樗趯?shí)際檢測處理過程中，可能選擇一個(gè)錯(cuò)誤的諧振波長(例如其他高階低FOM模式)而不是可實(shí)現(xiàn)高FOM的基模(FM=Fundmental Mode)，這將導(dǎo)致傳感檢測結(jié)果不精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，本發(fā)明利用結(jié)構(gòu)簡單的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，將一維光子晶體納米束帶隙濾波器與一維光子晶體納米束微腔串聯(lián)在一起，濾去其它高階模式而保留基模，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因子和高靈敏度的光子晶體集成傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，而且提高了在實(shí)際應(yīng)用測試過程中的精確度。本發(fā)明可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)密集集成傳感器陣列和復(fù)用傳感，同時(shí)可進(jìn)一步應(yīng)用于光子集成光路(PICs = Photonic IntegratedCircuits)。
[0004]—種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，包括一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器，一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器串聯(lián)。
[0005]與傳統(tǒng)光子晶體集成器件相比，本發(fā)明具有體積小、損耗低、功耗低、光場局域性良好等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]與同類光子晶體集成器件相比，本發(fā)明還有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
[0007]1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單緊湊，尺寸大約在?0.7μπιΧ10μπι，實(shí)際制作簡單，同類高性能光子晶體傳感器結(jié)構(gòu)模型都是基于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜，而且對于微納加工制備技術(shù)精度要求非常高不利于光子晶體傳感器的實(shí)際制作；
[0008]2、本發(fā)明可以保留用于實(shí)現(xiàn)傳感的光子晶體納米束微腔的特定的基本模式，而濾去其它高階模式，提高其精確度；
[0009]3、串聯(lián)的一維光子晶體納米束帶隙濾波器對一維光子晶體納米束微腔傳感器的性能沒有影響，例如高品質(zhì)因子(Q = quality factor)，諧振峰位置，靈敏度等。
【附圖說明】
[0010]圖1是基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器的模型示意圖。
[0011 ]圖2是一維光子晶體納米束微腔傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3—維光子晶體納米束帶隙濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明中的一維光子晶體納米束微腔傳感器的透射圖。
[0014]圖5是基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器的透射
4並L曰O
[0015]圖6是本發(fā)明中的一維光子晶體級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)在不同的背景介質(zhì)下得到的透射譜。
[0016]圖7是諧振峰的波長和背景介質(zhì)的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明是一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，如圖1所示，包括一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器，一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器串聯(lián)；
[0019]制作時(shí)，娃波導(dǎo)位于二氧化娃平板上，娃波導(dǎo)寬度為W，厚度為h，長度為L，娃波導(dǎo)一部分設(shè)有相同半徑的空氣孔，空氣孔等間距設(shè)置，形成納米束帶隙濾波器，硅波導(dǎo)另一部分設(shè)有半徑不同的空氣孔，空氣孔的半徑關(guān)于中心對稱，在每一側(cè)，空氣孔半徑從中心到端點(diǎn)逐漸減小，空氣孔等間距設(shè)置(每個(gè)空氣孔的中心點(diǎn)等間距)，形成微腔傳感器；
[0020]—維光子晶體納米束微腔傳感器的放大圖，如圖2所示，其Q值>107，它由單一的一維光子晶體納米束微腔構(gòu)成，空氣孔的半徑關(guān)于中心對性，在每一側(cè)，空氣孔半徑從中心到端逐漸減小，設(shè)空氣孔之間的距離a2 = 330nm，中間的空氣孔半徑為rcenter = 120nm，最端點(diǎn)的空氣孔半徑為rend = 85nm，則空氣孔的半徑符合公式:
[0021 ] r ( I ) = Tcenter+ ( I "I ) 2 ( TendTcenter ) / (imax—1)2
[0022]其中，i表示空氣孔的數(shù)目，1從1開始取值，i是自然數(shù)，imax表示硅波導(dǎo)上所取的空氣孔數(shù)目，i的取值范圍為O至imax。
[0023]納米束帶隙濾波器的放大圖，如圖3所示，它由單一完美的一維光子晶體納米束波導(dǎo)構(gòu)成，它的空氣孔半徑是相同的，設(shè)空氣孔半徑ri = 90nm，空氣孔之間的距離ai = 390nm。
[0024]所述的一維光子晶體納米束中，介質(zhì)是硅，背景介質(zhì)是空氣。其中硅波導(dǎo)的厚度為220nm，硅波導(dǎo)寬度Wnb = 700nm，硅波導(dǎo)長度為10um，硅的折射率NSi = 3.46，空氣孔的折射率
Nair=1-Oo
[0025]所述光子晶體傳感器的折射率靈敏度(S)可以表示為:S=Δλ/Δη，其中Δλ是諧振波長峰值的偏移量；A λ是感知區(qū)域內(nèi)折射率的變化量。當(dāng)感知區(qū)域內(nèi)折射率發(fā)生變化時(shí)，諧振腔的諧振頻率也隨之發(fā)生偏移，通過測量和分析反射譜中諧振波長峰值的偏移變化，即可得到光子晶體傳感器的靈敏度。
[0026]一維光子晶體集成傳感器中的空氣孔的半徑r，空氣孔之間的距離a，空氣孔的數(shù)目i，硅波導(dǎo)的寬度w和厚度h，任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，諧振波長峰值都會(huì)發(fā)生偏移。因此可以通過合理的設(shè)計(jì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來構(gòu)成一維光子晶體納米束波導(dǎo)與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的折射率傳感器的基本結(jié)構(gòu)。
[0027]利用三維時(shí)域有限差分法(3D-FDTD)，通過仿真軟件對其能帶圖、場圖透射譜進(jìn)行仿真，可以從中看出，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高靈敏度微納傳感器，其折射率靈敏度大小為?126.7nm/RIU0
[0028]圖4是一維光子晶體納米束微腔結(jié)構(gòu)得到的透射圖，它的橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為透射譜，其中有3個(gè)諧振峰，其中諧振峰I為用于傳感的基?！，F(xiàn)在需要用第一個(gè)諧振峰(也就是基模)進(jìn)行傳感，只保留第一個(gè)諧振峰，微腔傳感器的精確度就高，所以要在它的透射譜上濾去后面兩個(gè)峰而只保留基模。
[0029]圖5是基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器的透射譜，它的橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為透射譜，加上濾波器以后，濾去了其它高階模式，只保留了基模I。圖5就是傳感器和濾波器串聯(lián)以后的透射譜，圖上可以看出只剩下第一個(gè)諧振峰，后面的濾掉了。
[0030]圖6是一維光子晶體級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)在不同的背景介質(zhì)下得到的透射譜，它的橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為透射譜，其中背景介質(zhì)的折射率分別為1.0、1.1、1.2和1.3，對應(yīng)的曲線分別為圖中所示的1，2，3，4。
[0031]圖7是諧振峰的波長和背景介質(zhì)的關(guān)系曲線圖，它的橫坐標(biāo)為折射率，縱坐標(biāo)為諧振波長，隨著背景介質(zhì)折射率的增大，諧振峰的波長向長波長方向偏移。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，包括一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器，一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器串聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，所述的一維光子晶體納米束帶隙濾波器和納米束微腔傳感器是: 硅波導(dǎo)寬度為w，厚度為h，長度為L，硅波導(dǎo)一部分設(shè)有相同半徑的空氣孔，空氣孔等間距設(shè)置，形成納米束帶隙濾波器，硅波導(dǎo)另一部分設(shè)有半徑不同的空氣孔，空氣孔的半徑關(guān)于中心對稱，在每一側(cè)，空氣孔半徑從中心到端點(diǎn)逐漸減小，空氣孔等間距設(shè)置，形成納米束微腔傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，所述的納米束微腔傳感器中空氣孔半徑從中心到端點(diǎn)逐漸減小具體為: 設(shè)空氣孔之間的距離a2 = 330nm，中間的空氣孔半徑為rcenter = 120nm，最端點(diǎn)的空氣孔半徑為rend = 85nm，則空氣孔的半徑符合公式:r(i)=r center + (i_l) (Tend-Γcenter )/( imax-1 ) 其中，i表示空氣孔的數(shù)目，i從I開始取值，i是自然數(shù)，imax表示硅波導(dǎo)上所取的空氣孔數(shù)目。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，所述的納米束帶隙濾波器中空氣孔具體為:空氣孔半徑η = 90ηπι，空氣孔之間的距離ai = 390nm。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于納米束波導(dǎo)濾波器與微腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一維光子晶體集成傳感器，所述的硅波導(dǎo)厚度為220nm，寬度為700nm，長度為1um0
【文檔編號(hào)】G01N21/43GK105954234SQ201610274148
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】楊大全, 王波, 紀(jì)越峰
【申請人】北京郵電大學(xué)