本發(fā)明涉及一種基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復用傳感器陣列結構。

背景技術：

近年來，基于等離子體亞微米功率分束器(文獻1：J.Wang,X.Guan,Y.He,Y.Shi,Z.Wang,S.He,P.Holmstr,L.Wosinski,L.Thylen,and D.Dai,“Sub-μm 2power splitters by using silicon hybrid plasmonic waveguides,”O(jiān)ptics express,19(2),838-847(2011))、多模干涉分束器(文獻2：Z.Sheng,Z.Wang,C.Qiu,et al,“A compact and low-loss MMI coupler fabricated with CMOS technology,”IEEE Photonics Journal,4(6),2272-2277(2012))和Y型分束器(文獻3：J.Gamet and G.Pandraud,“Ultralow-loss 1×8splitter based on field matching Y junction,”IEEE Photonics Technology Letters,16,2060-2062(2004)；文獻4：S H.Tao,Q.Fang,J F.Song,et al,“Cascade wide-angle Y-junction 1×16optical power splitter based on silicon wire waveguides on silicon-on-insulator,”O(jiān)ptics Express,16(26),21456-21461(2008))等分束器被廣泛研究。高靈敏度的傳感器如單束光子晶體槽結構(文獻5：D.Yang,P Zhang,H.Tian,Y.Ji,Q.Quan,“Ultrahigh-and Low-Mode-Volume Parabolic Radius-Modulated Single Photonic Crystal Slot Nanobeam Cavity for High-Sensitivity Refractive Index Sensing,”IEEE Photonics Journal,7(5),1-8(2015))和雙束光子晶體槽結構(文獻6：J.Zhou,H.Tian,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,Y.Ji,“Parabolic tapered coupled two photonic crystal nanobeam slot cavities for high-FOM biosensing,”)。而傳感器的復用可以極大提高傳感器效率，因此各種類型的光子晶體傳感器陣列(文獻7：S.Mandal,D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,”O(jiān)ptics Express,16(3),1623-1631(2008)；文獻8：D.Yang,H.Tian,Y.Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays,”O(jiān)ptics express,19(21),20023-20034(2011)；文獻9:J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,H.Tian,“Multiplexed Simultaneous High Sensitivity Sensors with High-Order Mode Based on the Integration of Photonic Crystal 1×3Beam Splitter and Three Different Single-Slot PCNCs,”Sensors,16(7),1050(2016)；文獻10：D.Yang,C.Wang,Y.Ji,“Silicon on-chip 1D photonic crystal nanobeam bandstop filters for the parallel multiplexing of ultra-compact integrated sensor array,”O(jiān)ptics Express,24(15),16267-16279(2016))被先后提出。這些傳感陣列，分別具有高靈敏度、高集成度、多路復用、高結構強度，低設計難度的一項或幾項特點。本傳感陣列結構特色是絕緣體上硅結構(SOI)被應用于整個設計，沒有設計任何懸浮區(qū)域，可以同時實現(xiàn)高靈敏度、高集成度、多路復用、高結構強度和低設計難度。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了一種基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復用傳感器陣列結構。

(二)技術方案

實現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的技術方案是基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復用傳感器陣列結構的實現(xiàn)方法，其特征在于：該光子晶體傳感器陣列是基于一維納米束波導和硅波導分束/耦合器相結合，即空氣孔硅介質SOI背景結構；在一維光子晶體中引入槽結構并與硅波導和一維光子晶體濾波器直接耦合，通過級聯(lián)分束/耦合器實現(xiàn)并行光子晶體傳感器陣列。

本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化方案為：

將一個1×8分束器，八個一維光子晶體槽納米束微腔(1DPC-SNCs)，八個漸變型一維光子晶體帶阻濾波器(1DPC-TNBF)和一個8×1耦合器串聯(lián)在厚度2μm的二氧化硅襯底上。

所述光子晶體結構包含的空氣孔個數(shù)為40，厚度為220nm，晶格常數(shù)為a＝450nm?？諝饪渍伎毡冉Y構為0.25-0.17的漸變。尺寸僅為13.6μm×0.65μm。通過改變空氣孔的半徑可以調節(jié)諧振腔頻率，通過增加空氣孔的個數(shù)可以一定程度上提高品質因數(shù)Q。同時，在微腔中加入空氣槽，可以極大提高微腔的靈敏度。

所述的一種一維光子晶體濾波器，其光子晶體結構包含的空氣孔個數(shù)為20，結構尺寸僅為8.2μm×0.65μm，該傳感器結構尺寸小，利于集成。在一維光子晶體波導末端引入漸變空氣孔，可以極大減少旁瓣抖動。

所述的一種分束/耦合器，采用基于SOI的硅波導Y型分束器作為光子晶體并聯(lián)復用用感的分束器，基于SOI的硅波導的多模干涉耦合器作為光子晶體并聯(lián)復用用感的耦合器。利用貝塞爾曲線設計彎曲波導，實現(xiàn)分束/耦合器的設計靈活性。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.尺寸小，結構簡單；

2.通過引用槽結構，極大的提高了靈敏度S。傳感器缺陷腔的靈敏度可達439nm/RIU。

3.本發(fā)明提供的1×8分束器和8×1耦合器的結構尺寸分別為40μm×36μm和26μm×36μm，插入損耗分別為0.29dB和0.07dB。

4.絕緣體上硅結構(SOI)被應用于整個設計，沒有設計任何懸浮區(qū)域，可以提高結構強度，降低設計難度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施提供的基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復用傳感器陣列結構示意圖，其中插圖是單個傳感單元的放大圖。

圖2(a)一維光子晶體納米束微腔的結構圖。

圖2(b)一維光子晶體納米束微腔的電場分布圖。

圖3(a)利用PWE方法計算得到占空比(f)為0.25和0.17的能帶圖。

圖3(b)不同占空比(f)的鏡像強度。

圖4(a)利用FDTD方法計算得到微腔的透射圖。

圖4(b)利用FDTD方法計算得到不同靈敏度下的諧振透射圖，通過諧振峰變化可以計算微腔的靈敏度。

圖5(a)一維光子晶體濾波器的結構圖。

圖5(b)一維光子晶體濾波器入射頻率在阻帶時的電場圖(1609.81nm)。

圖5(c)一維光子晶體濾波器入射頻率在通帶時的電場圖(1501.55nm)。

圖6一維光子晶體納米束微腔與一維光子晶體濾波器級聯(lián)和不與一維光子晶體濾波器級聯(lián)的對比圖。

圖7(a)利用FDTD方法計算得到復用傳感器陣列在不同靈敏度下的諧振透射圖。

圖7(b)利用FDTD方法計算得到復用傳感器陣列在只有一個傳感單元折射率發(fā)生變化時的諧振投射圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清晰，以下結合附圖，對發(fā)明進一步詳細說明。

首先，本發(fā)明實施提供的基于絕緣體上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶體并行復用傳感器陣列結構示意圖如圖1所示。其中，光子晶體的硅波導厚度為220nm，分束/耦合器的波導寬度為480nm，

圖2(a)給出了一維光子晶體納米束的結構圖。晶格常數(shù)為a＝460nm，漸變區(qū)域空氣孔半徑r_center＝152.6nm到r_end＝125.8nm呈拋物線變化，共10個空氣孔。鏡像區(qū)域空氣孔半徑為r_end，共5個空氣孔。W波導寬度為650nm。圖2(b)給出了一維光子晶體納米束在諧振頻率的電場分布圖，可以看到光局域到空氣槽中，極大的提高了靈敏度并降低了微腔的模式體積。

圖3(a)利用PWE方法計算得到一維光子晶體單個周期單元TE極化的能帶結構圖。如圖2所示，其縱坐標是歸一化頻率(2πc/a)，可以看到在占空比(f)為0.25和0.17時的光子帶隙。圖3(b)是不同占空比下的鏡像強度，其計算方法是其中，w_res是目標頻率，w₁，w₂，和w₀分別是介質帶邊緣，空氣帶邊緣和每個部分下的帶隙中心頻率。利用確定性高Q值計算方法(文獻11：Q.Quan,M.Loncar,“Deterministic design of wavelength scale,ultra-high Q photonic crystal nanobeam cavities,”O(jiān)ptics express,19(19),18529-18542(2011))得到最佳仿真結果。

接下來研究基于SOI的一維光子晶體槽納米束微腔傳感器的靈敏度。圖4(a)是利用FDTD方法計算得到的透射圖。光子晶體傳感器的靈敏度S定義為Δλ/Δn，改變多小孔缺陷微腔周圍空氣孔的折射率會引起諧振波長的偏移。當圖2中的環(huán)境折射率n在1到1.04范圍內變化時，利用FDTD方法計算得到的，在不同折射率下的諧振峰偏移透射曲線如圖4(b)所示。當折射率n逐漸增大時，多小孔缺陷腔的透射峰逐漸向長波長方向移動。由圖4(b)可知，多小孔缺陷腔的諧振波長與折射率的變化呈線性關系。本發(fā)明實施提供的一維光子晶體槽納米束光子晶體傳感器的靈敏度S為439nm/RIU。

圖5(a)給出了一維光子晶體濾波器的結構圖。濾波區(qū)域空氣孔半徑為r_f＝90nm，共16個空氣孔，漸變區(qū)域空氣孔半徑r_f＝90nm到r_fe＝45nm，每側2個空氣孔，使其面積呈線性變化，即W波導寬度為650nm。圖5(b)和圖5(c)分別給出了一維光子晶體濾波器在阻帶(1609.81nm)和通帶(1501.55nm)的電場分布圖。圖6是利用FDTD方法計算得到的一維光子晶體納米束微腔與一維光子晶體濾波器級聯(lián)和不與一維光子晶體濾波器級聯(lián)的對比圖。圖7(a)利用FDTD方法計算得到復用傳感器陣列在不同靈敏度下的諧振透射圖。圖7(b)利用FDTD方法計算得到復用傳感器陣列在只有一個傳感單元折射率發(fā)生變化時的諧振投射圖。