一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构制造技术

本发明专利技术涉及一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。本发明专利技术将光子晶体中间一行两侧空气孔移除只剩中间七个。在中心空气孔与其周围六个空气孔构成的六个等边三角形中心的位置分别放置一个小空气孔，将中心空气孔移除，形成多小孔缺陷腔。本发明专利技术通过在缺陷腔中引入多个小孔，增加缺陷腔区域的表面积以增加缺陷腔的品质因数Q和灵敏度S，最终达到提高光子晶体传感器性能的目的。多小孔缺陷腔的品质因数Q最高可达71881，灵敏度可达236nm/RIU，因此本发明专利技术提供的光子晶体直接耦合微腔传感器性能参数FOM可高达11238，较其他直接耦合微腔传感器提高了两个数量级,是一种高性能的光子晶体传感器结构，可用于生物传感或气体传感领域。

A high performance photonic crystal sensor based on small aperture defect coupled Microcavity

The invention relates to a high performance photonic crystal sensor structure based on a multi hole defect coupled micro cavity directly. The invention removes the air holes at the middle of one side of the photonic crystal, leaving only seven in the center. A small air hole is arranged at the position of the six equilateral triangle centers of the central air hole and the six air holes around the center air hole, and the central air hole is removed to form a multi hole defect cavity. By introducing a plurality of small holes in the defect cavity, the invention increases the surface area of the defect cavity region to increase the quality factor Q and the sensitivity S of the defect cavity, and finally achieves the purpose of improving the performance of the photonic crystal sensor. Multi pinhole defect cavity quality factor Q of up to 71881, the sensitivity is 236nm/RIU, so the invention provides direct coupled photonic crystal micro cavity sensor performance parameters of FOM can be as high as 11238, compared with the other directly coupled micro cavity sensor is improved by two orders of magnitude, is a kind of High Performance Photonic Crystal structure of the sensor can be used for the field of bio sensor or gas sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构
本专利技术涉及一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。
技术介绍
近年来，基于光子晶体器件如光子晶体波导(文献1：A.GoyalandS.Pal,“Designandsimulationofhighsensitivephotoniccrystalwaveguidesensor,”Optik,vol.126,pp.240–243,Jan.2015)、光子晶体微腔(文献2：P.Zhang,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,J.Zhou,L.Huang,Y.Ji,“Radiusverticalgradednanoscaleinterlaced-coupledphotoniccrystalsensorsarray,”Opt.Commun.,vol.355,pp.331–336,May.2015)和光子晶体环形谐振腔(文献3：P.SharmaandP.Sharan,“Designofphotoniccrystalbasedringresonatorfordetectionofdifferentbloodconstituents,”Opt.Commun.,vol.348,pp.19–23,Aug.2015)等的传感器被广泛应用在生物传感(文献4：D.Wang,Y.Liu,L.Yuan,J.Lei,X.Li,G.Wu,S.Hou,“Anefficientopticalbiochemicalsensorbasedonapolyatomicphotoniccrystalringresonator,”Opt.Commun.,vol.372,pp.160–165,Apr.2016)、压力传感(文献5：S.OlyaeeandA.Dehghani,“Nano-pressuresensorusinghighqualityphotoniccrystalcavityresonator,”inCSNDSP,2012,paper2,p.1–4)、和温度传感(文献6：S.RobinsonandR.Nakkeeran,“PCBasedOpticalSalinitySensorforDifferentTemperatures,”PhotonicSens.,vol.2,pp.187–192,Feb.2012)等领域。由于尺寸小、品质因数Q值高等优点，许多直接耦合光子晶体微腔传感器(文献7：Y.LiuandH.Salemink,“All-opticalon-chipsensorforhighrefractiveindexsensinginphotoniccrystals,”EPL,vol.107,pp.34008,Aug.2014；文献8：X.Qian,Y.Zhao,Y.Zhang,Q.Wang,“Theoreticalresearchofgassensingmethodbasedonphotoniccrystalcavityandfiberloopring-downtechnique,”Sens.ActuatorsB,vol.228,pp.665–672,Jan.2016；文献9：J.Zhou,H.Tian,D.Yang,Q.Liu,andY.Ji,“IntegrationofhightransmittancephotoniccrystalH2nanocavityandbroadbandW1waveguideforbiosensingapplicationsbasedonSilicon-on-Insulatorsubstrate,”Opt.Commun.,vol.330,pp.175–183,May.2014)被先后提出。这些直接耦合传感器有的具有高的灵敏度S，有的具有高的品质因数Q，但是因为不能同时具有高灵敏度S和高的品质因数Q，导致传感器的整体性能FOM＝Q×S/λres比较低，只有几百。为了提高光子晶体直接耦合微腔传感器的整体性能，提出了一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。(二)技术方案实现本专利技术专利技术目的的技术方案是提供一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构。它由圆形空气柱在硅板上周期性排列构成光子晶体。空气柱的排列呈长方形。将中间一行两侧的空气孔移除只剩中间的七个，两侧形成W1波导。在最中心的空气孔与其周围六个空气孔构成的六个等边三角形中心的位置分别放置一个小空气孔，其半径远小于晶格常数，最后将最中心的空气孔移除，形成多小孔缺陷腔。本专利技术技术方案的进一步优化方案为：所述的构成光子晶体的硅板厚度为240nm,折射率为3.48。所述光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为11×23，结构尺寸为5μm×10.5μm。所述的光子晶体为三角晶格，晶格常数为a＝460nm。半径r＝0.32a。每个分支的W1波导宽度为其中a为所述光子晶体的晶格常数。在本专利技术技术方案中，改变六个小孔的半径，可调节多小孔缺陷腔的品质因数Q。在本专利技术技术方案中，改变中间两侧的第二个空气孔向左右两边移动距离L，可调节多小孔缺陷腔的品质因数Q。本专利技术的原理是，通过在缺陷腔中引入多个小孔，增加缺陷腔区域的表面积，进而增加缺陷腔的品质因数Q和灵敏度S，达到增加传感器性能FOM的目的。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.尺寸小，结构简单；2.在缺陷腔中引入多个小孔，增加缺陷腔区域的表面积，进而增加了缺陷腔的品质因数Q和灵敏度S。多小孔缺陷腔的品质因数Q最高可达71881，灵敏度可达236nm/RIU。3.本专利技术提供的光子晶体直接耦合微腔传感器性能参数FOM高达11238，较其他直接耦合微腔传感器的性能参数FOM提高了两个量级。附图说明图1是本专利技术实施提供的基于多小孔缺陷直接耦合微腔的光子晶体传感器结构示意图，其中插图是多小孔缺陷腔的放大图。图2是利用PWE方法计算得到的TE极化的完美光子晶体的能带图。图3(a)是利用FDTD方法计算得到的图1中L＝0，小孔半径rmini从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线。图3(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中小孔半径rmini变化的规律。图4(a)是利用FDTD方法计算得到的图1中rmini＝0.1a，空气孔移动距离L从0变化到0.14a时，图1中光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器对应的透射曲线。图4(b)是利用FDTD方法计算得到的图1中多小孔缺陷腔的谐振频率和品质因数随图1中空气孔移动距离L变化的规律。图5是本专利技术实施提供的性能最优的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器的透射曲线和在谐振频率处的场图，最优化参数为rmini＝0.1a，L＝0.06a。图6是本专利技术实施提供的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器用作传感的区域图，折射率改变的空气孔个数N＝18。图7(a)是图6中传感区域内的空气孔折射率n在1到1.08范围内变化时，利用FDTD方法计算得到的光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构的实现方法，其特征在于：该光子晶体传感器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率为3.48；在光子晶体中引入一个多小孔结构的缺陷微腔并与W1波导直接耦合构成光子晶体传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于多小孔缺陷直接耦合微腔的高性能光子晶体传感器结构的实现方法，其特征在于：该光子晶体传感器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率为3.48；在光子晶体中引入一个多小孔结构的缺陷微腔并与W1波导直接耦合构成光子晶体传感器。2.根据权利1所述的实现方法，其特征在于光子晶体微腔的具体设计方法，即：将光子晶体中间一行两侧的空气孔移除只剩中间的七个，两侧形成W1波导，在最中心的空气孔与其周围六个空气孔构成的六个等边三角形中心的位置分别放置一个小空气孔，其半径远小于晶格常数，最后将最中心的空气孔移除，形成多小孔缺陷腔。3.根据权利要求1所述的一种光子晶体传感器，其特征在于：所述光子晶体结构包含的空气柱阵列大小为11×23，结构尺寸仅为5μm×...

【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，王春红，丁兆祥，付中原，孙富君，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11