二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器制造技术

本发明专利技术公开了二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器，属于光子晶体与光纤集成传感器技术领域。所述的折射率传感器包括可调谐光源、三端口环形器、光检测器、传输型单模光纤和二维柱阵列光子晶体，所述的可调谐光源、光检测器分别通过所述的传输型光纤连接三端口环形器的两个端口，所述三端口环形器的第三个端口连接的传输型光纤端面加工二维柱阵列光子晶体，形成传感结构。本发明专利技术具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。本发明专利技术结构设计紧凑，实际制作简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型的基于二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器，属于光子晶体与光纤集成传感器

技术介绍
目前，新型光子晶体传感器作为一种全新的高性能微纳传感器，由于其特有的高灵敏度、高分辨率、响应时间迅速、体积小易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检测等优势，得到了来自不同应用领域很多研究者的特别关注；随着微纳加工制备技术的发展，光子晶体传感器无论在理论研究方面，还是在实验研究和应用研究领域都得到了很大进展，被认为在实现Lab-on-a-Chip应用方面具备巨大性能潜力和集成优势。与此同时，随着体域网技术的研究深入，服务于人体健康的可穿戴、可植入监护设备已经出现，作为核心元件，超紧凑、高灵敏度微纳集成传感器符合未来传感网络对人体健康信息进行实时性准确监测的应用需求，有关新型光子晶体传感器的研究在高性能微纳感知检测应用研究领域备受关注。目前国际上有关光子晶体传感器的应用研究报道已越来越多，所涉及到的光子晶体传感器的功能种类主要有生化传感器(文献1，Di Falco,A.,L.O’Faolain,and T.F.Krauss.Chemical sensing in slotted photonic crystal heterostructure cavities.Applied physics letters 94.6(2009)063503)、压力感知传感器(文献2，Yang Yi,Daquan Yang,Huiping Tian,and Yuefeng Ji.Photonic crystal stress sensor with high sensitivity in double directions based on shoulder-coupled aslant nanocavity,Sensors and Actuators A:Physical 193(2013)149-154)、湿度传感器(文献3，Shi,Jinjie,Vincent KS Hsiao,Thomas R.Walker,and Tony Jun Huang.Humidity sensing based on nanoporous polymeric photonic crystals,Sensors and Actuators B:Chemical 129,no.1(2008)391-396)、折射率传感器(文献4，D.F Dorfner,T.Hürlimann,T.Zabel,L.H.Frandsen,G.Abstreiter,and J.J.Finley.Silicon photonic crystal nanostructures for refractive index sensing,Applied Physics Letters,93,181103(2008))、微位移感知传感器(文献5，Daquan Yang,Huiping Tian,and Yuefeng Ji.Microdisplacement sensor based on high-Q nanocavity in slot photonic crystal,Optical Engineering,50(5),054402,(2011))、温度传感器(文献6，H.Lu,M.P.Bernal.Integrated
temperature sensor based on an enhanced pyroelectric photonic crystal.Optics express,21(14),16311-16318(2013))等等。上述可实现不同传感功能的光子晶体传感器基本原理都是基于光子晶体光子禁带(PBG，photonics band gap)对禁带内导模在平面内的局域效应，其耦合方式是在光子晶体平面内进行的。随着光子晶体传感器应用研究的深入，光子晶体传感器的性能参数(品质因数Q值、灵敏度、分辨率、集成度)都得到了很大的提升。但与此同时，该类型高性能光子晶体传感器也面临着两个关键技术难题需要解决：1)结构设计复杂，实际制作困难：上述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；2)耦合校准复杂，应用测试困难：目前有关光子晶体传感器件的研究和应用，大多都是基于光子晶体结构对光波在结构平面内的导光局域特性实现的，使得该类光子晶体传感器在实际应用测试中需要在传感器件输入输出两端通过两根光纤耦合透镜来进行校准耦合，导致在实际应用测试过程中操作复杂，校准困难，耦合效率不高等问题。
技术实现思路
为了克服上述困难，本专利技术提出一种全新的基于二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的高性能微纳复合的折射率传感器。本专利技术首次提出一种全新的二维柱阵列完美光子晶体结构(Pillar-array PhC)，基于光子晶体的法诺共振原理，优化二维柱阵列光子晶体的结构参数，利用微纳平移技术将二维柱阵列光子晶体结构粘附在传输型单模光纤横截面上。本专利技术通过将二维柱阵列光子晶体与传输型单模光纤相结合，利用结构简单的二维柱阵列完美光子晶体结构实现了高Q值和高灵敏度的光子晶体集成传感器的设计与应用，不仅操作简单，而且大大降低了在实际应用测试过程中对校准精确度的要求，能有效提高耦合效率。本专利技术提供一种基于二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器，包括可调谐光源、三端口环形器、光检测器、传输型单模光纤和二维柱阵列光子晶体。其中传输型单模光纤的规格为：纤芯8～10μm，包层为125μm。所述的二维柱阵列光子晶体可以在半导体材料基板(SOI)上通过电子束刻蚀(Electro beam lithography)和反应离子刻蚀(Refractive ion etching)等制作技术制作。所述的二维柱阵列光子晶体中，背景介质为空气，介质柱是硅。所述的二维柱阵列光子晶体中，采用三角晶格的光子晶体柱阵列结构，晶格常数为a＝870nm，介质柱的半径为r＝174nm，介质柱的高度为h＝1.12μm。所述的介质柱硅的折射率是3.42，背景介质空气的折射率为1.00。本专利技术优点和有益效果在于：1.与传统集成器件相比，本专利技术具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。2.与同类光子晶体集成器件相比，本专利技术结构设计紧凑，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，而且对于维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。3.本专利技术耦合校准和应用测试简易。目前有关光子晶体传感器件的研究和应用，大多都是基于光子晶体结构对光波在结构平面内的导光局域特性实现的，使得该类光子晶体传感器在实际应用测试中需要在传感器件输入输出两端通过两根光纤耦合透镜来进行校准耦合，导致在实际应用测试过程中操作复杂，校准困难，耦合效率低等问题。附图说明图1是二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器的结构模型示意图。图2是二维柱阵列光子晶体结构示意图。图3是本专利技术中的二维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器，其特征在于：包括可调谐光源、三端口环形器、光检测器、传输型单模光纤和二维柱阵列光子晶体，所述的可调谐光源、光检测器分别通过所述的传输型光纤连接三端口环形器的两个端口，所述三端口环形器的第三个端口连接的传输型光纤端面加工二维柱阵列光子晶体，形成传感结构；可调谐光源产生一束特定波长范围的光波，通过三端口环形器与二维柱阵列光子晶体的光纤传感结构进行耦合，同时所述三端口环形器的另一端口连接光检测器，通过光检测器检测到反射回来的光波。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维柱阵列光子晶体与单模光纤集成结构的折射率传感器，其特征在于：包括可调谐光源、三端口环形器、光检测器、传输型单模光纤和二维柱阵列光子晶体，所述的可调谐光源、光检测器分别通过所述的传输型光纤连接三端口环形器的两个端口，所述三端口环形器的第三个端口连接的传输型光纤端面加工二维柱阵列光子晶体，形成传感结构；可调谐光源产生一束特定波长范围的光波，通过三端口环形器与二维柱阵列光子晶体的光纤传感结构进行耦合，同时所述三端口环形器的另一端口连接光检测器，通过光检测器检测到反射回来的光波。2.根据权利要求1所述的一种基于二维柱阵列光子晶体与单模光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大全，苑巍，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11