一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，属于光子晶体传感器技术领域，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔、位于一侧的空气模纳米腔和位于另一侧的介电模纳米腔。本发明专利技术制得的光子晶体纳米束传感器能够实现对折射率与温度的同时检测，通过分析计算得空气模纳米腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为377.2nm/RIU和101pm/K；介电模纳米腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为194nm/RIU和261pm/K。为194nm/RIU和261pm/K。为194nm/RIU和261pm/K。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构


[0001]本专利技术涉及光子晶体传感器
，尤其是一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构。

技术介绍

[0002]近几十年来，已经证明了基于共振理论的光学传感器具有高品质因数和小模式体积，可用于各种领域的检测。在生物化学传感领域，光子晶体腔结构由于不需要荧光标记和最少的样品要求而受到越来越多的关注。其中，在生物化学传感中，分析物的折射率(RI)和温度(T)都会影响共振波长，并且共振模式探测区域的两个参数的变化都会引起相应的共振波长偏移。通常，分析物或周围环境的RI或T之间存在一定的关系。在传统的传感过程中，通常假定是在恒定温度下进行的。但是，在不同的工作温度下，不仅会影响分析物的折射率，还会影响传感器本身。因此，有必要考虑温度对结果的影响。为了同时感测温度(T)和折射率(RI)，需要双参数传感器结构。

技术实现思路

[0003]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，是可同时测量折射率与温度的一维光子晶体纳米束腔传感结构，制得的光子晶体纳米束传感器能够实现对折射率与温度的同时检测。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构。
[0006]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔、位于纳米束微腔一侧的空气模纳米腔和位于纳米束微腔另一侧的介电模纳米腔；纳米束微腔具有较宽的线宽；空气模纳米腔是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。
[0007]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述纳米束微腔由半径不同的五个空气孔以晶格常数为a1分布在宽度为d1的硅波导中构成；所述空气模纳米腔由16个半径相同的空气孔以晶格常数为a2分布在宽度为d2的呈高斯线性分布的硅波导中构成；所述介电模纳米腔由25个半径成高斯线性以晶格常数为a3分布在宽度为d3的硅波导中构成。
[0008]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述硅波导厚度为T＝220nm，折射率为3.48。
[0009]本专利技术技术方案的进一步改进在于：通过分析计算得空气模纳米腔的折射率灵敏度为377.2nm/RIU，温度灵敏度为101pm/K。
[0010]本专利技术技术方案的进一步改进在于：通过分析计算得介电模纳米腔的折射率灵敏度为194nm/RIU，温度灵敏度为261pm/K。
[0011]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述绝缘层为二氧化硅绝缘层；二氧化硅绝缘层厚度为2.2μm，折射率为1.4。
[0012]由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：
[0013]1、本专利技术结构简单，制得的光子晶体传感器能够实现对折射率以及温度的同时检测。
[0014]2、本专利技术基于时间耦合理论，将设计的一维光子晶体纳米束腔结构简化为一组基本组件，仅使用能量守恒对其进行分析。
[0015]3、本专利技术通过仿真分析得到空气模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为377.2nm/RIU和194pm/K；介电模一维光子晶体纳米束腔的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为101nm/RIU和261pm/K。
[0016]4、本专利技术微腔之间的串扰较小，是一个性能较好的能够同时检测折射率和温度的传感器结构。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的传感结构示意图；
[0018]图2是本专利技术的基于时间耦合理论的一维光子晶体纳米束腔双参数结构模型示意图；
[0019]图3是本专利技术的传感结构参数示意图；
[0020]图4是本专利技术中空气模纳米腔的能带图；
[0021]图5是本专利技术中介电模纳米腔的能带图；
[0022]图6是本专利技术中当输入波长为λ1＝1625.17nm时所对应的电场分布图；
[0023]图7是本专利技术中当输入波长为λ2＝1673.48nm时所对应的电场分布图；
[0024]图8是本专利技术中当输入波长为λ3＝1566.78nm时所对应的电场分布图；
[0025]图9是本专利技术中当待测折射率RI从1到1.015时所对应的透射光谱；
[0026]图10是本专利技术中对应图9中对应的两个腔的共振峰位置随RI变化的拟合直线；
[0027]图11是本专利技术中当待测温度T从280K到330K时所对应的透射光谱；
[0028]图12是本专利技术中对应图11中对应的两个腔的共振峰位置随温度T变化的拟合直线；
[0029]图13是本专利技术中在温度T不变的情况下两个腔的最大串扰值随折射率RI的变化曲线图；
[0030]图14是本专利技术中在折射率RI不变的情况下两个腔的最大串扰值随温度T的变化曲线图。
[0031]其中，1、纳米束微腔，2、空气模纳米腔，3、介电模纳米腔。
具体实施方式
[0032]本专利技术是针对在传统的传感过程中没有考虑不同工作温度对分析物的折射率和传感器本身的影响而研发的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，制得的光子晶体纳米束传感器能够同时感测温度(T)和折射率(RI)。
[0033]下面结合附图及具体的实施例对本专利技术做进一步详细说明：
[0034]如图1所示，一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构。
[0035]所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔1、位于纳米束微腔1一侧的空气模纳米腔2和位于纳米束微腔1另一侧的介电模纳米腔3；纳米束微腔1具有较宽的线宽，空气模纳米腔2是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔3是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。
[0036]所述纳米束微腔1由半径不同的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述双参数传感结构是基于在三个并行排列的一维光子晶体纳米束波导上刻蚀呈周期排列的空气孔而形成的微腔结构进行设计的，由位于绝缘层上方三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔构成，所述一维光子晶体纳米束波导为圆形空气柱在横截面为矩形的光波导上呈周期排列而形成的一维光子晶体纳米束结构。2.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，其特征在于：所述三个并行排列的一维光子晶体纳米束腔是基于横截面为矩形的硅波导分别引入晶格常数以及半径不同的圆形空气孔并基于法诺共振相互干涉形成的双参数传感结构，包括位于中间的带有宽带隙的纳米束微腔（1）、位于纳米束微腔（1）一侧的空气模纳米腔（2）和位于纳米束微腔（1）另一侧的介电模纳米腔（3）；纳米束微腔（1）具有较宽的线宽，空气模纳米腔（2）是通过改变该硅波导的宽度，使其呈高斯线性分布，但固定空气孔半径不变，得到较窄的共振线宽；介电模纳米腔（3）是通过改变空气孔半径，使其呈高斯线型变化而固定硅波导宽度不变，同样得到较窄的共振线宽。3.根据权利要求2所述的一种基于一维光子晶体纳米束腔的双参数传感结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书涛，程琪，孔德明，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：