基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器，属于光子晶体传感器技术领域。本发明专利技术将两个分别支持介质模式和空气模式的一维光子晶体结构并联后侧耦合到波导，使两个模式发生干涉以实现光学环境下的电磁感应透明(EIT)效应，即类EIT效应；将石墨烯集成到光子晶体结构中，通过调节外部电压控制石墨烯费米能级的方式实现对类EIT效应的主动调谐，并将可调类EIT效应的特殊波形应用于相对湿度和温度的双参量传感。本发明专利技术采用石墨烯实现了对类EIT效应的主动调谐，首次基于可调类EIT效应产生的透明窗口实现相对湿度和温度的双参量传感，具有较高的灵敏度。此外，湿度检测和温度检测误差因子低至0.003和0.033，具备较高的抗外部干扰能力。对比其他相对湿度和温度的双参量传感器，本传感器结构紧凑、尺寸小，仅占12μm

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器


[0001]本专利技术涉及一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器，其主要的特点是可通过石墨烯主动调谐类EIT效应，实现环境相对湿度和温度的同时检测，属于光子晶体传感


技术介绍

[0002]湿度传感器在工业生产、食品保鲜、天气预报及医疗设施等领域应用广泛。本专利技术通过在一维光子晶体堆栈结构的表面涂敷一层湿度敏感材料PVA来实现湿度检测(文献1：Dan Su,Xueguang Qiao,Qiangzhou Rong,Hao Sun,Jing Zhang,Zhengyuan Bai,Yanying Du,Dingyi Feng,Yupeng Wang,Manli Hu and Zhongyao Feng,“A fiber Fabry
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Perot interferometer based on a PVA coating for humidity measurement”,Optical communications 311,107
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110(2013).)。相对湿度定义为给定温度下水蒸气分压与水的饱和蒸汽压的比值，只有在考虑温度的情况下，湿度传感才有意义，因此，我们设计了同时测量相对湿度和温度的双参量传感器。电子湿度传感器易受电磁干扰且灵敏度低；基于光纤的传感器制作非常复杂(文献2：Fei Li,Xuegang Li,Xue Zhou,Yanan Zhang,Riqing Lv,Yong Zhao,Liushun Xie,Linh Viet Nguyen,Heike Ebendorff
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Heidepriem and Stephen C.Warren
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Smith,"Simultaneous Measurement of Temperature and Relative Humidity Using Cascaded C
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shaped Fabry
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Perot interferometers,",Journal of Lightwave Technology 40(4),1209
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1215(2022).)。本专利技术采用的光子晶体纳米束腔具有品质因子高和有效模式体积低的优点，可以实现较强的光物作用，提高灵敏度，并且其结构紧凑、尺寸小，利于片上集成。
[0003]目前，类EIT效应在光子晶体耦合结构中得到了很大关注(文献3：Tongyu Nie,Zhe Han,Zixing Gou,Chao Wang and Huiping Tian,"High anti
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interference dual
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parameter sensor using EIT
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like effect photonic crystal cavity coupled system,"Applied Optics 61(6),1552
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1558(2022)；文献4：Penghao Liu and Yaocheng Shi,"Simultaneous measurement of refractive index and temperature using cascaded side
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coupled photonic crystal nanobeam cavities,"Optics Express 25(23),28398
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28406(2017).)。本专利技术首次将类EIT效应用于相对湿度和温度的双参量传感，不仅可以有效地增强光场，而且在透射谱中具有尖锐的谱线，可以应用于高灵敏度传感领域。在实际应用中，控制类EIT效应的透明窗口是至关重要的，本设计将可调材料石墨烯集成在结构内(文献5：Fan Jiang,Chaosheng Deng,Qi Lin and Lingling Wang,"Simulation study on active control of electromagnetically induced transparency analogue in coupled photonic crystal nanobeam cavity
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waveguide systems integrated with graphene,"Optics Express 27(22),32122
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32134(2019).)，可以通过调节外部电压的方式来调控石墨烯的费米能级，实现对类EIT效应的主动调谐。
[0004]这里我们首次提出了一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器。本专利技术
将一维光子晶体结构并联侧耦合到波导，通过设计耦合结构的相关参数以实现类EIT效应。类EIT效应的透射谱具有独特的透明窗口，且透射最低点dip1和dip2对应着不同的电场分布，这为传感器的双参传感奠定了基础。该结构可以用于环境相对湿度和温度的双参量传感，其中dip1的湿度和温度灵敏度分别为
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442.6pm/％RH、
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15.5pm/K，dip2的湿度和温度灵敏度分别为
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157.1pm/％RH、35.3pm/K，与已有传感器相比具有优异的传感性能。此外，该结构的尺寸为12μm
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2.02μm
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0.22μm(长
×
宽
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高)，有利于片上集成。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器：将两个不同模式的一维光子晶体结构并联后侧耦合至波导，促使模式间发生干涉从而产生类EIT效应，通过调节外部电压控制石墨烯费米能级的方式主动调谐类EIT透明窗口，并结合类EIT效应的特殊波形进行相对湿度和温度的双参量传感。
[0006]1.本专利技术的具体内容
[0007]对于光子晶体传感器的传感特性来说，需要保持高灵敏度的特性。
[0008](1)本专利技术设计了一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器，可以通过调节外部电压控制石墨烯费米能级的方式主动调谐类EIT透明窗口。
[0009](2)本专利技术为了提升谐振模式对于环境相对湿度的灵敏度，在介质模式一维光子晶体堆栈结构表面涂覆了一层湿度敏感材料PVA。
[0010](3)本专利技术首次将类EIT效应产生的透明窗口用于环境相对湿度和温度的双参量传感。
[0011]2.本专利技术的优点如下：
[0012](1)本专利技术采用两个一维光子晶体结构并联侧耦合至波导的结构，相较于两个一维光子晶体结构级联侧耦至与波导结构、级联一维光子晶体纳米束腔结构、双极化微环谐振器结构等，本专利技术结构紧凑，尺寸小。
[0013](2)本专利技术采用可调材料石墨烯，通过外接电压调节石墨烯费米能级的方式实现对类EIT效应的主动调谐。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.提出一种基于石墨烯调谐类EIT效应的光子晶体传感器，其特征在于：该传感器位于二氧化硅(SiO2)衬底上，制作材料包括硅(Si)、石墨烯(Graphene)以及湿度敏感材料聚乙烯醇(PVA)，SiO2基底、Si芯层和PVA包层的厚度分别为2μm、220nm和2μm；传感器由波导、一维光子晶体堆栈结构和覆盖石墨烯的一维光子晶体纳米束结构组成；传感器采用石墨烯主动调谐类EIT效应，并将其应用于相对湿度和温度的双参量传感。2.根据权利要求1中所述的类EIT效应，其特征在于：光沿硅波导左端入射，当堆栈结构和纳米束结构的两个谐振模式满足干涉条件时将形成类EIT效应，其透射谱具有独特的透明窗口，且透射最低处的两个谐振频率dip1和dip2对应着不同的电场分布，适用于双参量传感。3.根据权利要求1和2中所述，采用石墨烯实现对类EIT效应的主动调谐，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，余璐丹，韩哲，王金志，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：