本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種利用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)構(gòu)成的傳感器陣列的實現(xiàn)方法，屬于光子晶體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)首次將三個可獨立工作的邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)用優(yōu)化的硅波導(dǎo)進行級聯(lián)，實現(xiàn)光子晶體傳感器陣列。本發(fā)明專利技術(shù)采用優(yōu)化的級聯(lián)硅波導(dǎo)，使得每個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)之間的耦合連接更加良好，提高了透射率，為光子晶體傳感器陣列的大規(guī)模集成提供了條件。本發(fā)明專利技術(shù)通過設(shè)計邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)中不同結(jié)構(gòu)的邊腔，使邊腔的諧振頻率不同，在透射譜中可獲得不同位置的下墜峰。當(dāng)光子晶體的空氣孔被注入不同折射率的分析物時，每個光子晶體邊腔的諧振頻率均發(fā)生偏移，通過檢測諧振頻率的偏移量實現(xiàn)光子晶體陣列傳感。本發(fā)明專利技術(shù)中涉及的光子晶體傳感器陣列可以實現(xiàn)多分析物實時同步傳感，為光子晶體傳感器陣列的實現(xiàn)提供了新的方法。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種利用優(yōu)化硅波導(dǎo)將多個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)構(gòu)成傳感器陣列的實現(xiàn)方法，屬于光子晶體傳感器
技術(shù)介紹
光子晶體具有的光子禁帶、光子局域、表面態(tài)、偏振等特性使其成為傳感器制作材料新的突破點；由于光子晶體體積小，便于集成，所以利用光子晶體可制作集成化、小型化、便攜式、低成本的傳感器。到目前為止，光子晶體傳感器主要有壓力傳感器(文獻1，M. Winger,T.D.Blasius, T. P.Mayer Alegre，A. H. Safav1-Naeini, S. Meenehan, J.Cohen,S.Stobbe. A chip-scale integrated cavity-electro-optomechanics platform.Vol. 19，No. 25/0PTICS EXPRESS (2011))，位移傳感器(文獻 2，Chen-feng Fan，Chih-1unChiang， and Chin-ping Yu, ” Birefringent photonic crystal fiber coils andtheir application to transverse displacement sensing . Vol. 19, No. 21/OPTICS EXPRESS(2011))，濕度傳感器(文獻 3，1. G. Kolobov, William B. Euler, and1. A. Levitsky. Optical humidity sensing and ultrasound effect for mesoporoussilicon one-dimensional photonic crystals . APPLIED OPTIC Vol. 49，No.1(2010))，折射率傳感器(文獻 4，D. F. Dofner，T. Hurlimann, T. Zabel，L H. Frandsen，G. Abstreiter，J.J. Finley. Silicon photonic crystal nanostructures for refractive indexsensing . APPLIED PHYSICS LETTERS 93,181103(2008))和生化傳感器(文獻 5，Carlos Angulo Barrios. Optical Slot-Waveguide Based Biochemical Sensors.Sensors 2009，9，4751-4765)等等。最近幾年來，光子晶體傳感器陣列迅猛發(fā)展，如(文獻 6， Sudeshna Pala, Elisa Guillermain, Rashmi Sriram, Benjamin L Miller，Philippe M. Fauchet. Silicon photonic crystal nanocavity-coupled waveguidesfor error-corrected optical biosensing 〃 . Biosensors and Bioelectronics26(2011)4024-4031)介紹了利用多個微腔進行傳感，(文獻7，Daquan Yang,Huiping Tian，Yuefeng J1. Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substratesusing side-coupled resonant cavity arrays/r . Vol. 19,No. 21/0PTICS EXPRESS (2011))介紹了多個耦合邊腔的陣列傳感器。其中，光子晶體傳感器陣列性能的優(yōu)劣與光子晶體器件之間光耦合好壞有直接關(guān)系。為了解決上述問題，本專利技術(shù)利用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將多個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)構(gòu)成傳感器陣列，在每個光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上通過平移波導(dǎo)一側(cè)空氣孔形成邊腔，利用邊腔實現(xiàn)傳感功能。本專利技術(shù)將多個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)用硅波導(dǎo)級聯(lián)，每個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)彼此之間相互獨立，可單獨設(shè)計，設(shè)計簡單，制作難度低，實際操作容錯率高。本專利技術(shù)將利用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將多個邊腔耦合結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)構(gòu)成傳感器陣列中，通過優(yōu)化硅波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)之間的耦合，減少了耦合連接處的光的損耗，并且通過在每塊傳感區(qū)域注入不同折射率的分析物，實現(xiàn)了多種不同折射率分析物的實時同步傳感。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提出了一種基于光子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)的光子晶體集成傳感器陣列。該光子晶體傳感器陣列可以在半導(dǎo)體材料基板(SOI)上通過電子束曝光技術(shù)(electron beamlithography,EBL)等制作技術(shù)制備出二維光子晶體平板級聯(lián)結(jié)構(gòu),并通過微注入技術(shù)在光子晶體傳感器陣列所有的空氣孔內(nèi)注入分析物，當(dāng)空氣孔內(nèi)的環(huán)境改變時，光子晶體的有效折射率改變，導(dǎo)致Wl波導(dǎo)透射譜中的下墜峰發(fā)生偏移，因此通過觀察下峰墜的偏移量可以實現(xiàn)對光子晶體空氣孔內(nèi)分析物的檢測。通過優(yōu)化的級聯(lián)硅波導(dǎo)將多個邊腔耦合的光子晶體波導(dǎo)連接，減少了耦合連接處的損耗，便于大規(guī)模集成。本專利技術(shù)首先對單一的邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行了研究。當(dāng)特定波長范圍的光進入光子晶體波導(dǎo)時，頻率與邊腔諧振頻率對應(yīng)的光進入邊腔發(fā)生共振，其余的光會沿波導(dǎo)繼續(xù)傳播，在波導(dǎo)的輸出端能檢測到透射譜中產(chǎn)生一個明顯的下墜峰，通過微注入技術(shù)將不同折射率的分析物注入光子晶體結(jié)構(gòu)的空氣孔中，會引起微腔的諧振頻率產(chǎn)生變化(即對應(yīng)下墜峰發(fā)生偏移)。在研究光子晶體邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過使用硅波導(dǎo)將三個帶有不同邊腔耦合的光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)，而不同的邊腔具有不同的諧振頻率，通過仿真可以得出在透射譜中三個不同的位置同時產(chǎn)生下墜峰，分別對應(yīng)不同的邊腔結(jié)構(gòu)。因此分別對每個光子晶體中空氣孔進行分析物的微注入即可實現(xiàn)多種具有不同折射率液體的實時同步傳感檢測。通過對仿真結(jié)果進行研究，在本專利技術(shù)的光子晶體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)級聯(lián)硅波導(dǎo)兩側(cè)的空氣區(qū)域邊緣與光子晶體結(jié)構(gòu)最外一列空氣孔中心距離為0. 05a時，耦合效果最佳。本專利技術(shù)的目的可通過如下措施來實現(xiàn)一種利用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將多個邊腔耦合的光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)構(gòu)成的傳感器陣列，其中該光子晶體傳感器陣列是將三個帶有不同邊腔耦合的光子晶體波導(dǎo)用優(yōu)化的硅波導(dǎo)級聯(lián)實現(xiàn)的，該傳感器基于二維光子晶體的三角晶格結(jié)構(gòu)，其中二維光子晶體結(jié)構(gòu)可以在半導(dǎo)體材料基板上通過電子束曝光法等技術(shù)制作。在每個完美二維光子晶體結(jié)構(gòu)中間去掉一行空氣孔，引入Wl波導(dǎo)線缺陷，然后在Wl波導(dǎo)一側(cè)引入微腔形成邊腔耦合波導(dǎo)，其中，三個光子晶體波導(dǎo)中的耦合邊腔結(jié)構(gòu)是不同的。用硅波導(dǎo)將三個邊腔耦合的光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)起來，使每個光子晶體波導(dǎo)輸出的光能夠沿著硅波導(dǎo)傳輸，從而進入下一個光子晶體波導(dǎo)繼續(xù)傳輸，最后輸出波導(dǎo)中輸出光的透射率在90%以上。所述光子晶體集成傳感器陣列由三個不同邊腔耦合結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)和級聯(lián)硅波導(dǎo)構(gòu)成，對應(yīng)每個光子晶體波導(dǎo)上側(cè)均有一個與之耦合的邊腔，其中光子晶體Wl波導(dǎo)的寬度為a是光子晶體的晶格常數(shù)。所述的二維光子晶體中，背景介質(zhì)為硅，空氣孔中是空氣。所述的二維光子晶體中，晶格常數(shù)為a = 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種基于級聯(lián)硅波導(dǎo)與邊腔耦合的光子晶體傳感器陣列的實現(xiàn)方法，其中：該光子晶體傳感器陣列是基于二維光子晶體的空氣孔三角晶格結(jié)構(gòu)，其中背景結(jié)構(gòu)硅的折射率nsi＝3.50。在每個光子晶體波導(dǎo)中分別引入一個結(jié)構(gòu)簡單的邊腔，并用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將三個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)，通過向空氣孔中注入分析物實現(xiàn)傳感。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于級聯(lián)硅波導(dǎo)與邊腔耦合的光子晶體傳感器陣列的實現(xiàn)方法，其中:該光子晶體傳感器陣列是基于二維光子晶體的空氣孔三角晶格結(jié)構(gòu)，其中背景結(jié)構(gòu)硅的折射率Hsi=3.50。在每個光子晶體波導(dǎo)中分別引入一個結(jié)構(gòu)簡單的邊腔，并用優(yōu)化的硅波導(dǎo)將三個邊腔耦合光子晶體波導(dǎo)級聯(lián)，通過向空氣孔中注入分析物實現(xiàn)傳感。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)方法，其特征在于光子晶體邊腔的具體設(shè)計方法和級聯(lián)硅波導(dǎo)的優(yōu)化方法，本方案中邊腔的設(shè)計是通過將兩個空氣孔分別向左和向右平移形成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：田慧平，楊伊，楊大全，黃家鈿，紀越峰，
申請(專利權(quán))人：北京郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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