专利名称：一种基于级联硅波导与边腔耦合的光子晶体传感器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用优化硅波导将多个边腔耦合光子晶体波导级联构成传感器阵列的实现方法，属于光子晶体传感器技术领域。
背景技术：
光子晶体具有的光子禁带、光子局域、表面态、偏振等特性使其成为传感器制作材料新的突破点；由于光子晶体体积小，便于集成，所以利用光子晶体可制作集成化、小型化、便携式、低成本的传感器。到目前为止，光子晶体传感器主要有压力传感器(文献1，M. Winger,T.D.Blasius, T. P.Mayer Alegre，A. H. Safav1-Naeini, S. Meenehan, J.Cohen,S.Stobbe. " A chip-scale integrated cavity-electro-optomechanics platform".Vol. 19，No. 25/0PTICS EXPRESS (2011))，位移传感器(文献 2，Chen-feng Fan，Chih-1unChiang， and Chin-ping Yu, ” Birefringent photonic crystal fiber coils andtheir application to transverse displacement sensing " . Vol. 19, No. 21/OPTICS EXPRESS(2011))，湿度传感器(文献 3，1. G. Kolobov, William B. Euler, and1. A. Levitsky. Optical humidity sensing and ultrasound effect for mesoporoussilicon one-dimensional photonic crystals" . APPLIED OPTIC Vol. 49，No.1(2010))，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 indexsensing" . APPLIED PHYSICS LETTERS 93,181103(2008))和生化传感器(文献 5，Carlos Angulo Barrios. " Optical Slot-Waveguide Based Biochemical Sensors".Sensors 2009，9，4751-4765)等等。最近几年来，光子晶体传感器阵列迅猛发展，如(文献 6， Sudeshna Pala, Elisa Guillermain, Rashmi Sriram, Benjamin L Miller，Philippe M. Fauchet. " Silicon photonic crystal nanocavity-coupled waveguidesfor error-corrected optical biosensing 〃 . Biosensors and Bioelectronics26(2011)4024-4031)介绍了利用多个微腔进行传感，(文献7，Daquan Yang,Huiping Tian，Yuefeng J1. " Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substratesusing side-coupled resonant cavity arrays/r . Vol. 19,No. 21/0PTICS EXPRESS (2011))介绍了多个耦合边腔的阵列传感器。其中，光子晶体传感器阵列性能的优劣与光子晶体器件之间光耦合好坏有直接关系。为了解决上述问题，本发明利用优化的硅波导将多个边腔耦合光子晶体波导级联构成传感器阵列，在每个光子晶体波导结构上通过平移波导一侧空气孔形成边腔，利用边腔实现传感功能。本发明将多个边腔耦合光子晶体波导用硅波导级联，每个边腔耦合光子晶体波导彼此之间相互独立，可单独设计，设计简单，制作难度低，实际操作容错率高。本发明将利用优化的硅波导将多个边腔耦合结构的光子晶体波导级联构成传感器阵列中，通过优化硅波导和光子晶体波导之间的耦合，减少了耦合连接处的光的损耗，并且通过在每块传感区域注入不同折射率的分析物，实现了多种不同折射率分析物的实时同步传感。

发明内容
本发明提出了一种基于光子晶体谐振腔结构的光子晶体集成传感器阵列。该光子晶体传感器阵列可以在半导体材料基板(SOI)上通过电子束曝光技术(electron beamlithography,EBL)等制作技术制备出二维光子晶体平板级联结构,并通过微注入技术在光子晶体传感器阵列所有的空气孔内注入分析物，当空气孔内的环境改变时，光子晶体的有效折射率改变，导致Wl波导透射谱中的下坠峰发生偏移，因此通过观察下峰坠的偏移量可以实现对光子晶体空气孔内分析物的检测。通过优化的级联硅波导将多个边腔耦合的光子晶体波导连接，减少了耦合连接处的损耗，便于大规模集成。本发明首先对单一的边腔耦合光子晶体波导结构进行了研究。当特定波长范围的光进入光子晶体波导时，频率与边腔谐振频率对应的光进入边腔发生共振，其余的光会沿波导继续传播，在波导的输出端能检测到透射谱中产生一个明显的下坠峰，通过微注入技术将不同折射率的分析物注入光子晶体结构的空气孔中，会引起微腔的谐振频率产生变化(即对应下坠峰发生偏移)。在研究光子晶体边腔耦合光子晶体波导结构的基础上，通过使用硅波导将三个带有不同边腔耦合的光子晶体波导级联，而不同的边腔具有不同的谐振频率，通过仿真可以得出在透射谱中三个不同的位置同时产生下坠峰，分别对应不同的边腔结构。因此分别对每个光子晶体中空气孔进行分析物的微注入即可实现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，在本发明的光子晶体结构中，当级联硅波导两侧的空气区域边缘与光子晶体结构最外一列空气孔中心距离为0. 05a时，耦合效果最佳。本发明的目的可通过如下措施来实现一种利用优化的硅波导将多个边腔耦合的光子晶体波导级联构成的传感器阵列，其中该光子晶体传感器阵列是将三个带有不同边腔耦合的光子晶体波导用优化的硅波导级联实现的，该传感器基于二维光子晶体的三角晶格结构，其中二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。在每个完美二维光子晶体结构中间去掉一行空气孔，引入Wl波导线缺陷，然后在Wl波导一侧引入微腔形成边腔耦合波导，其中，三个光子晶体波导中的耦合边腔结构是不同的。用硅波导将三个边腔耦合的光子晶体波导级联起来，使每个光子晶体波导输出的光能够沿着硅波导传输，从而进入下一个光子晶体波导继续传输，最后输出波导中输出光的透射率在90%以上。所述光子晶体集成传感器阵列由三个不同边腔耦合结构的光子晶体波导和级联硅波导构成，对应每个光子晶体波导上侧均有一个与之耦合的边腔，其中光子晶体Wl波导的宽度为a是光子晶体的晶格常数。所述的二维光子晶体中，背景介质为硅，空气孔中是空气。所述的二维光子晶体中，晶格常数为a = 400nm,空气孔的半径为r = 0. 3a。所述的背景介质硅的折射率为3. 50，空气孔的折射率为1. 00。
所述的级联波导长度为14. 5a，宽度为空气区域边缘与光子晶体结构最外一列空气孔中心距离为0. 05a。所述的三个光子晶体波导耦合边腔的设计是将靠近Wl波导上侧的第二行中间的两个空气孔分别向左和向右平移，第一个光子晶体波导耦合边腔的平移距离S1 = 0. 32a，第二个光子晶体波导耦合边腔的平移距离S2 = 0. 25a，第三个光子晶体波导耦合边腔的平移距离S3 = 0. 18a,也即S1 = 128nm, s2 = IOOnm, s3 = 72nm,所述的光子晶体传感器阵列结构可以用EBL技术在SOI材料上刻蚀实现，现在的EBL技术可以实现纳米级别的精确加工，能够满足本发明的需要。改变耦合边腔的谐振频率可以通过微注入技术将分析物注入空气孔实现。与传统方法相比本发明有如下优点本方案中所提及的一种利用优化的硅波导将多个边腔耦合光子晶体波导级联构成的传感器阵列是一种通过设计导模相同的光子晶体波导结构和不同的光子晶体微腔，使用硅波导将多个边腔耦合的光子晶体波导级联设计完成。通过向光子晶体结构的空气孔中注入不同折射率的分析物，可以实现对不同分析物折射率的实时、同步检测。本发明首次提出将多个边腔耦合光子晶体波导用优化的硅波导进行级联实现不同分析物同时检测的光子晶体集成传感器阵列。此外，本发明是通过优化的级联硅波导将多个边腔耦合光子晶体波导集成的传感器阵列，使得每个结构之间相距较远，优化的级联硅波导减少了光的损耗，提高了出光的透射率，在对单一结构的空气孔进行操作时对临近结构的影响很小，增强了可扩展性，利于集成利用。同时，本发明对大量空气孔进行微注入，相对于只针对某一个或者某几个空气孔进行注入的光子晶体传感器有更好的可实现性、可操作性和更高的操作容错率。本发明的原理如下本方案中所涉及的一种通过优化的硅波导将多个边腔耦合光子晶体波导级联构成的传感器阵列是一种基于二维光子晶体结构，通过在三个光子晶体波导一侧设计三个不同的边腔，三个边腔的谐振频率不同，使得在透射谱上三个不同位置产生下坠峰，利用向空气孔中注入分析物引起下坠峰位置的变化进行传感；通过该级联型的设计使得可以对多种不同折射率的分析物同时进行检测，完成比较、传感等功能。同时通过优化设计级联硅波导，使得每个光子晶体波导之间耦合良好，获得较高的透射率。其基本原理是当在光子晶体Wl波导一侧引入微腔时，导模中频率处于微腔谐振频率的光会进入微腔并局域在其中，在透射谱中导模范围内会产生一个尖锐的下坠峰，当在光子晶体空气孔中用微注入技术注入液体时，空气孔的有效折射率发生变化，就会使得微腔的谐振频率发生变化，因此下坠峰的位置也会发生变化，通过对下坠峰位置变化的测量可以检测注入液体的折射率。当带有不同谐振频率的边腔耦合波导结构级联之后，透射谱中导模范围内会在三个不同位置产生三个下坠峰，由于微腔之间独立工作，所以三个下坠峰之间的变化互不影响，从而可以同时对多种分析物进行传感，即可实现多种物质的阵列传感。


以下各图所取的光子晶体传感器阵列结构参数均与具体实施方式
中相同。图1是本发明中的光子晶体传感器阵列结构模型示意图，其中包含了输入硅波导、输出硅波导和两个优化的级联硅波导，每个边腔耦合光子晶体波导结构中包含一个Wi波导和一个耦合边腔。边腔由两个空气孔分别向左和向右水平移动组成；晶格常数a =400nm,空气孔半径r = 120nm,介质娃的折射率nsi = 3. 50。图2是单一的边腔耦合光子晶体波导结构，边腔位移s = 0. 25a。图3是边腔位移s = 0. 25a时的边腔耦合光子晶体波导结构中全部空气孔折射率分别为1. 330、1. 355、1. 380时的透射谱，对应的曲线颜色分别为红色，蓝色，绿色。下坠峰对应的中心波长分别是1522nm，1526nm, 1529nm。图4是单一的边腔耦合光子晶体波导结构的电场在x_y平面内的场图分布。图5是优化后的级联硅波导(a)与未优化的级联硅波导(b)的电场在x_y平面内的场图分布。图6是本方案中的光子晶体传感器阵列全部空气孔的折射率为1. 330的透射谱和左侧区域空气孔折射率为1. 380，改变其他区域空气孔的折射率为1. 330后得到的透射谱，其对应的曲线的颜色分别为红色和蓝色。图7是本方案中的光子晶体传感器阵列全部空气孔的折射率为1. 330的透射谱和左侧区域空气孔折射率为1. 380，中间区域空气孔折射率为1. 355，右侧区域空气孔折射率为1. 330的透射谱，其对应的曲线的颜色分别为红色和蓝色。图8是本方案中的光子晶体传感器阵列全部空气孔折射率分别为1. 330、1. 355、1.380和1. 405时的透射谱，其对应的曲线的颜色分别为红色，蓝色，绿色和黑色。
具体实施例方式本发明中的光子晶体传感器阵列结构模型示意图如图1所示，其中包含了由优化的级联硅波导连接的三个边腔耦合光子晶体波导，边腔通过将靠近Wl波导上侧的第二行中间的两个空气孔分别向左和向右平移形成，三个边腔的位移距离分别是81 = 128nm,s2 =IOOnm, S3 = 72nm。空气孔的半径为0. 3a,晶格常数为a = 400nm,介质娃的折射率nsi =
3.50。由于空气孔折射率的不同会影响微腔谐振频率的变化，因此可以通过设计向空气孔注入不同折射率的分析物来构成多种分析物检测的光子晶体传感器阵列。边腔是整个传感器工作的关键部分，它直接影响到传感器的灵敏度，分辨率，因此需要调整边腔的结构参数。级联硅波导与边腔耦合光子晶体波导的耦合连接对整个传感器阵列有很大影响，硅波导的宽度、长度、硅波导上下两侧空气区域面积大小和空气区域边缘的位置都与耦合好坏有直接关系。为了优化光子晶体传感器阵列的设计，在已确定的基本结构基础上，需要优化级联硅波导的结构参数。1.设计光子晶体波导的边腔结构。如图2所示，当全部空气孔中分别注入折射率为1. 330、1. 355、1. 380的分析物时，利用时域有限差分法对单一边腔耦合光子晶体波导结构进行仿真，得到如图3所示的透射谱。观察得到当空气孔的折射率变大时，透射谱中下坠峰会发生红移，即向波长长的方向移动，因此利用此边腔可以进行传感。利用仿真得出当位移s变化时导模范围中下坠峰的位置并计算边腔的Q值。当输入光源为中心频率= 0.259 (2 JI a/c)的高斯光源时，稳态状态下电场的空间分布图如图4所示。可以看到一部分光进入边腔。随着位移s的增大下坠峰的位置发生红移。考虑到下坠峰的位置不能过于靠近导模的起始波长，同时考虑到各下坠峰之间的区分，不致产生混叠，所以在构成最后的整体结构中所选用的三个边腔的位移分别为S1 = 128nm, S2 =IOOnm, S3 = 72nm。计算得出三个微腔的Q值大约为270。2.设计级联硅波导的结构。两个光子晶体波导之间的耦合连接是由一条硅波导级联而成的，该硅波导的的上下两侧是空气，这样可以使光沿着硅波导向前传播。分别比较硅波导的宽度为和(^a-2r)时的仿真场图，r是空气孔的半径，a是晶格常数，当硅波导的宽度为时，Wl波导和硅波导耦合处会有较多的光泄漏到硅波导两侧的空气中，级联硅波导中光的传输也变得不规律。硅波导的长度对级联也有所影响，当级联硅波导长度很短时，前一个光子晶体波导和后一个光子晶体波导的耦合不良，部分光从硅波导中泄漏。加大级联硅波导的长度之后，耦合效果得到改善，考虑到光在硅波导中传输也会损耗能量，所以设计的硅波导长度不宜过长，最终设定级联硅波导的长度为14.5a。在最初的仿真中，硅波导两侧的空气区域的面积比较小，从仿真所得场图看，较多的光耦合到了空气区域以外的硅板，使透射率较低，如图5(b)所示。为了改善这种情况，增大空气区域的面积，使得上方空气区域的上边界接近光子晶体结构最上方的一行空气孔，下方的结构与上方对称，此时观察仿真得到的场图，前一个光子晶体波导输出的光可以较好的耦合进入下一个光子晶体波导。当硅波导上下两侧空气区域`边缘距离光子晶体结构最外边一列空气孔较远时，在光子晶体波导和硅波导耦合处会有部分光通过最外列空气孔和空气区域之间的硅介质泄漏出来，泄漏出来的一些光还会进入下一个光子晶体结构影响其工作。当空气区域边缘进入光子晶体结构较多时，会对一些空气孔造成影响，破坏光子晶体原有的结构，影响其工作。最终，通过多次调整，确定空气区域边缘与最外列空气孔的孔心距离为0.05a时，得到最优耦合结构，优化后的级联硅波导的电场在x_y平面内的场图分布如图5(a)所示。3.通过引入微注入技术实现光子晶体传感器阵列。利用微注入技术可以在介质背景空气孔结构光子晶体的空气孔中注入不同折射率的液体，改变空气孔的折射率n，从而实现传感，如图6所示，当只改变左侧一个光子晶体区域内空气孔折射率为1.380而其他两个区域内空气孔折射率为1.330时，透射谱曲线与全部空气孔折射率为1.330时对比，仿真得出只有一个下坠峰发生偏移，其他两个下坠峰位置不变，从而说明每个光子晶体区域可以进行独立传感，能够同时对多种不同折射率的液体进行检测。如图7所示，在三个区域分别注入了折射率不同的液体，左侧光子晶体区域空气孔折射率为1.380，中间光子晶体区域空气孔折射率为1.355，右侧光子晶体区域空气孔折射率为1.330，观察到三个下坠峰均发生偏移。从仿真的透射谱曲线与全部空气孔折射率为1.330对比可以观察到空气孔的折射率改变量越大，对应的下坠峰偏移量就越大，通过对三个下坠峰偏移量的比较可以快速比较出不同液体的折射率，从而推断待测液体的相关性质或参数，进行传感。如图8所示，分别用所有区域检测折射率为1.330,1.355,1.380和1.405的液体，仿真得到透射谱曲线，对应的曲线分别是红色、蓝色、绿色和黑色，观察可知当空气孔折射率逐渐增大时，三个下坠峰均发生了红移。在此实施案例中，通过改变光子晶体空气孔的折射率，可以实现谐振频率的改变，即输出透射谱中下坠峰发生偏移，因此可以通过观察下坠峰位置的变化来检测空气孔中被分析液体的折射率。通过公式S= AA/A n计算，下坠峰的偏移与空气孔内的折射率变化有线性关系，本发明中的光子晶体传感器的灵敏度S = 120nm/RIU，其中，RIU表示折射率变化量为I。
权利要求
1.一种基于级联硅波导与边腔耦合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基于二维光子晶体的空气孔三角晶格结构，其中背景结构硅的折射率Hsi=3.50。在每个光子晶体波导中分别引入一个结构简单的边腔，并用优化的硅波导将三个边腔耦合光子晶体波导级联，通过向空气孔中注入分析物实现传感。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于光子晶体边腔的具体设计方法和级联硅波导的优化方法，本方案中边腔的设计是通过将两个空气孔分别向左和向右平移形成。
3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于提高光子晶体波导和级联硅波导之间的耦合，需要改变级联硅波导的宽度和长度，还需改变硅波导上下两侧空气区域的面积和边缘位置。
4.根据权利要求2或3所述的实现方法，其特征在于通过测量输出端透射谱中下坠峰的偏移量来完成对不同分析物的感知、检测和分析。
5.根据权利要求2或3所述的实现方法，其特征在于具有同时检测多种分析物的能力。
6.根据权利要求2或3所述的实现方法，其特征在于具有较高灵敏度的传感特性，在检测不同折射率的分析物时， 灵敏度为120nm/RIU。
全文摘要
本发明涉及一种利用优化的硅波导将边腔耦合光子晶体波导级联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。本发明首次将三个可独立工作的边腔耦合光子晶体波导用优化的硅波导进行级联，实现光子晶体传感器阵列。本发明采用优化的级联硅波导，使得每个边腔耦合光子晶体波导之间的耦合连接更加良好，提高了透射率，为光子晶体传感器阵列的大规模集成提供了条件。本发明通过设计边腔耦合光子晶体波导中不同结构的边腔，使边腔的谐振频率不同，在透射谱中可获得不同位置的下坠峰。当光子晶体的空气孔被注入不同折射率的分析物时，每个光子晶体边腔的谐振频率均发生偏移，通过检测谐振频率的偏移量实现光子晶体阵列传感。本发明中涉及的光子晶体传感器阵列可以实现多分析物实时同步传感，为光子晶体传感器阵列的实现提供了新的方法。
文档编号G01N21/59GK103076306SQ201210190728
公开日2013年5月1日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者田慧平, 杨伊, 杨大全, 黄家钿, 纪越峰 申请人:北京邮电大学