本发明专利技术涉及一种利用半径渐变型光子晶体与六个微腔构成的传感器阵列的实现方法，属于光子晶体传感器技术领域。本发明专利技术首次将半径渐变型的光子晶体结构应用于传感器阵列的设计中，极大的压缩了阵列结构的尺寸，为光子晶体传感器阵列的大规模集成提供了条件。本发明专利技术通过设计位于不同半径区域的微腔，使六个微腔的谐振频率不同，从而在输出端的透射谱中可获得不同频率的谐振峰。当光子晶体的空气孔被注入不同折射率的分析物时，六个微腔的谐振波长均发生偏移，通过检测谐振波长的偏移量实现光子晶体阵列传感。本发明专利技术中涉及的光子晶体传感器阵列具有可扩展性，并且可以同时检测多种分析物，为光子晶体传感器阵列的实现提供了新的方法。
【技术实现步骤摘要】
一种基于半径渐变型和交错型谐振腔的光子晶体传感器阵 列
本专利技术涉及一种利用半径渐变型光子晶体平板与六个微腔构成传感器阵列的实 现方法，属于光子晶体传感器
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技术介绍
自从80年代提出光子晶体概念，光子晶体具有的光子禁带和光局域特性使其在 滤波，调制，传感等方面有广泛的应用。同时由于光子晶体具有体积小，易集成的特点，因此 光子晶体传感阵列具有很强的研究价值。到目前为止，光子晶体传感器的研究主要集中在压力传感器(文献1，Yi Yang, Daquan Yang, Huiping Tian, and Yuefeng Ji, “Photonic crystal stress sensor with high sensitivity in double directions based on shoulder-coupled slant nanocavity, ” Sensors and Actuators A，193，pp.149-154.(2013))，生化传感器(文献 2, M.G.Scullion, A.Di Falco，and T.F.Krauss, “Slotted photonic crystal cavities with integrated microfluidics for biosensing applications,，’Biosensors and Bioelectronics，27，101-105，(2011))，湿度传感器(文献 3，J.Shi，V.S.Hsiao，T.R.Walker, T.J.Huang, “Humidity sensing based on nanoporous polymeric photonic crystals, ” Sensors and Actuators B，Vol.129，pp.391 - 396，(2008))，折射率传 感 器(文 献 4，D.F.Dofner, T.Hurlimann, T.Zabel, L.H.Frandsen, G.Abstreiter, J.J.Finley.Silicon photonic crystal nanostructures for refractive index sensing.APPLIED PHYSICS LETTERS93，181103 (2008))等等。最近几年，光子晶体传感 器阵列是一个新的研究方向。例如(文献5，Daquan Yang, Huiping Tianj and Yuefeng Jij “Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays，，，optics express，19(21)，20023-20034，(2 011))，主要介绍了利用单边耦合谐振腔构成的光子晶体折射率传感器阵列，(文献6， Sudeshna Pal,Elisa Guillermainj Rashmi Sriram, Benjamin L Miller，and Philippe M.Fauchet，“Silicon photonic crystal nanocavity-coupled waveguides for error-corrected optical biosensing，，，Biosensors and Bioelectronics，26，4024-403 1，(2011))，设计了一种耦合腔用于差错检测的光子晶体生化传感器阵列。这些结构都可以 在一个光子集成板同时实现多种传感，但是相对尺寸较大，而且可级联的传感器数目有限， 不利于大规模集成电路的设计。为了克服上述问题，本专利技术首次把渐变型光子晶体结构引入到传感器阵列的设计 中。将多个不同半径的光子晶体结构级联在同一块光子集成板上，并在波导两侧交错引入 多个谐振腔实现传感功能。本专利技术利用渐变型结构实现光子晶体传感器阵列，每个传感器 相互独立，可单独优化，结构设计简单，制作难度低，实际操作过程中的容错率高。本专利技术釆用半径渐变型光子晶体结构实现传感阵列，设计不同半径的光子晶体腔结构实现级联，压缩了阵列结构的尺寸，并且降低了波导级联间的耦合损失。同时本专利技术的 传感阵列数目可以根据需要增加，在各个传感区域注入不同的分析探测物质，可以实现多 种不同折射率分析物的实时同步传感。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于半径渐变型光子晶体结构的小尺寸光子晶体集成传感器 阵列。该光子晶体传感器可以在半导体材料基板(SOI)上通过电子束曝光法等制作技术制 备出半径渐变型的，具有交错谐振腔的三维光子晶体平板结构。通过微注入技术在光子晶 体传感器阵列谐振腔周围的空气孔内注入分析物，当腔内的环境改变时，光子晶体的有效 折射率改变，导致透射谱中的谐振下坠峰发生偏移，因此通过观察谐振峰的偏移量可以实 现对光子晶体空气孔内分析物的检测。本专利技术首先研究具有三个谐振腔的半径渐变型光子晶体阵列结构，当特定波长范 围内的光进入光子晶体波导后，与谐振腔频率吻合的光会被局域在微腔内，其余光沿着波 导继续传输，从而在输出端会检测到具有三个明显下坠峰的透射谱。然后通过将单个谐振 腔的透射谱与三个交错谐振腔的透射谱对比发现三个谐振频率均未发生偏移，即半径渐变 型的结构不影响谐振频率，具有可扩展性。在三个交错谐振腔的基础上，把传感器阵列的数目增大到六个，即在半径渐变的 光子晶体平板上引入六个交错的谐振腔，每个谐振腔具有不同的谐振频率，从而形成具有 六个传感器的阵列。通过仿真软件对其场图和透射图进行仿真，得到透射图中产生六个下 坠峰，与六个谐振腔的频率相吻合。然后分别在单个传感器微注入分析物，或者六个传感器 同时注入分析物，得到不同的谐振峰偏移，从而实现了多种具有不同折射率液体的实时同 步传感检测。通过对仿真结果进行研究，在本专利技术的光子晶体结构中，交错腔之间的距离对透 射图的影响不大，因此可以更大的压缩阵列结构的尺寸。考虑到结构优化等因素，最终交错 型微腔之间的距离设定为4a。本专利技术的目的可通过如下措施来实现:一种基于半径渐变型和交错型谐振腔的光子晶体传感器阵列的实现方法，其中:该光子晶体传感器阵列是通过在半径渐变型光子晶体结构中引入六个交错型谐 振腔实现的，该传感器基于三维光子晶体的三角晶格结构，其中三维光子晶体结构可以在 半导体材料基板上通过电子束曝光法等技术制作。在半径渐变型的光子晶体结构中去掉中 间的一行空气孔，引入Wl波导线缺陷，然后在Wl波导两侧交错地引入六个微腔形成阵列， 其中，六个微腔均为去掉三个空气孔的L3腔结构。光沿着Wl波导传输，与微腔频率匹配的 光被局域在腔内，其他光继续传输。所述的光子晶体传感器是由一条光子晶体Wl波导和六个谐振腔构成，其中Wl波 导的宽度力a是三角晶格光子晶体的晶格常数。所述的三维光子晶体中，背景介质为硅，空气孔中是空气。所述的三维光子晶体中，晶格常数为a=450nm，结构厚度为T=0.49a，半径渐变型 结构的空气孔的半径为 T1 = 0.28a, r2 =本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于半径渐变型的交错微腔的光子晶体传感器阵列的结构。其中：该光子晶体传感器阵列是基于三维光子晶体的半径渐变型空气孔三角晶格结构。在具有不同半径的光子晶体波导两侧交错引入六个微腔实现级联，通过向微腔周围的空气孔中注入分析物实现传感。
【技术特征摘要】
1.一种基于半径渐变型的交错微腔的光子晶体传感器阵列的结构。其中:该光子晶体 传感器阵列是基于三维光子晶体的半径渐变型空气孔三角晶格结构。在具有不同半径的光 子晶体波导两侧交错引入六个微腔实现级联，通过向微腔周围的空气孔中注入分析物实现 传感。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于利用半径渐变型光子晶体平板实...
【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，刘琦，周健，杨大全，杨伊，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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