一种基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列结构

摘要

本发明涉及一种利用四方晶格介质柱型光子晶体W1.15波导与9个单孔微腔耦合构成的温度传感器阵列结构，属于光子晶体传感器技术领域。本发明首次将四方晶格介质柱型光子晶体阵列结构应用于温度传感器的设计中，增加了同一模块上温度传感器的数目，得到较高的温度灵敏度，使该温度传感器阵列探测的准确性得到大大提高。本发明在W1.15波导垂直方向耦合9个单孔微腔，并且9个微腔的谐振频率不同。当光子晶体温度传感器阵列某个微腔周围的温度发生不同的变化时，该微腔的谐振波长会发生不同偏移，而其余微腔的谐振峰保持不变。即每个微腔可以实现单独的传感功能且互不干扰。本发明中涉及的光子晶体传感器阵列结构具有可扩展性，并且可以同时进行温度传感。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用四方晶格介质柱型光子晶体W1.15波导与9个单孔微 腔耦合构成温度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

光子晶体自上个世纪80年代提出以后，由于其具有很好的光子禁带和光子局 域特性，使得它在调制、滤波、传感方面有广泛的应用。而光子晶体传感器以其 高灵敏度、尺寸小、低功耗等特点，在传感器领域显示出巨大的优势和潜力。目 前，光子晶体传感器的研究主要集中在生化传感器(文献1，W.Lai,S.Chakravarty, Y.Zou,Y.Guo,and R.T.Chen,“Slow light enhanced sensitivity of resonance modes in photonic crystal biosensors,”Applied Physics Letters 102(4),041111,(2013))，压 力传感器(文献2，D.Yang,H.Tian,N.Wu,Y.Yang,and Y.Ji,“Nanoscale  torsion-free photonic crystal pressure sensor with ultra-high sensitivity based on  side-coupled piston-type microcavity,”Sensors and Actuators A 199,30-36(2013))， 折射率传感器(文献3，D.F.Dofner,T.Hurlimann,T.Zabel,L.H.Frandsen,G. Abstreiter,and J.J.Finley,“Silicon photonic crystal nanostructures for refractive  index sensing,”Applied Physics Letters 93,181103(2008))，位移传感器(文献4， D.Yang,H.Tian,Y.Ji,“Micro displacement sensor based on high-Q nanocavity in  slot photonic crystal,”Optical Engineering 50(5),054402,(2011))，温度传感器(文 献5，H.Lu,M.P.Bernal,“Integrated temperature sensor based on an enhanced  pyroelectric photonic crystal,”Optics Express 21(14),(2013))等等。随着传感技术 的发展和实际的应用需要，光子晶体传感器阵列越来越受到关注，成为研究的热 点。例如(文献6，S.Mandal and D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,” Optics Express 16(3),1623–1631,(2008))，设计了由许多块单排孔光子晶体组合 构成的生物分子传感器阵列，但是该传感器阵列不是在同一块光子晶体平板模块 上实现的，从而影响集成度。通过改进，(文献7，D.Yang,H.Tian,and Y.Ji, “Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates using side-coupled  resonant cavity arrays,”Optics Express 19(21),20023–20034,(2011))，利用边腔耦 合设计了光子晶体折射率传感器阵列，大大提升了集成度，然而该传感器阵列结 构基于三角晶格空气孔型光子晶体，带隙较窄，传感器灵敏度也较小。

本发明首次将四方晶格介质柱型光子晶体结构与单孔微腔结合构成温度传 感器阵列。设计9个不同半径和偏移构成的单孔微腔结构与W1.15波导进行耦 合形成传感器阵列，增加了阵列传感器传感数目。当各个传感区域温度分别产生 变化时，可以实现多个传感区域的实时同步温度传感。

发明内容

本发明首次提出将光子晶体温度传感器阵列在同一块二维四方晶格介质柱 型光子晶体模块上，实现了9个单孔微腔同时进行传感的光子晶体温度传感器阵 列结构。该光子晶体温度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W1.15波导和9个单孔微腔进行耦合的二维四方晶格介质 柱型光子晶体结构。当改变光子晶体传感器阵列某个微腔周围温度时，硅介质柱 的折射率会随温度而线性变化(线性变化可以由公式n(T)＝n₀+αΔT表示，其中 n₀表示温度为0℃时硅的折射率)，从而导致透射谱中相应的谐振下坠峰发生偏 移，实现对不同温度的感知和检测。

本发明首先研究W1.15波导和单个单孔微腔耦合实现温度传感的结构。当 形成单孔微腔的功能介质柱半径和偏移一定时，该微腔的谐振频率固定。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明显下坠峰的透射谱。

在单个谐振腔的基础上，在W1.15波导两侧相继耦合9个半径和偏移不同 的单孔微腔构成的温度传感器阵列结构。每个谐振腔具有不同的谐振频率，从而 形成传感器阵列。通过仿真软件对阵列结构进行仿真，得到透射图中产生9个下 坠峰，且与9个谐振腔的频率相吻合。然后分别改变单个传感器微腔周围的温度， 发现只有温度发生改变的谐振腔对应的谐振峰发生偏移，其他的保持不变。即每 个传感器之间可以独立工作，互不干扰，从而实现了不同温度的实时同步传感检 测。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列结构的设计和实现 方法，其中：

该光子晶体温度传感器阵列是基于四方晶格介质柱二维光子晶体微腔结构 实现的，其中二维光子晶体微腔结构可以在半导体材料基板(SOI)上通过光深度 刻蚀法等制作技术制作。

所述光子晶体温度传感器阵列是由光子晶体W1.15波导和9个半径以及偏 移不同的单孔微腔组成的阵列构成，其中W1.15波导的宽度为2.3a，a是四方晶 格光子晶体的晶格常数。

所述的二维光子晶体中，背景介质为空气，介质柱是硅。

所述的二维光子晶体中，晶格常数为a＝600nm，介质柱的半径为r＝0.18a。

所述的介质柱硅的折射率为3.4，背景介质空气的折射率为1.00。

所述的光源的中心频率ω₀＝0.387(2πc/a)。

所述的谐振腔的设计是改变介质柱半径和偏移形成的单孔微腔。

所述的9个谐振腔的排列是在W1.15波导两侧排列的。

所述9个光子晶体微腔是通过两个方面的参数变化来设计完成的，一是改变 形成微腔的功能介质柱的半径；二是在垂直于波导方向上将功能介质柱及其上一 个介质柱向着远离波导的方向偏移。通过具体设计每个谐振腔的参数，使得每个 谐振腔的谐振频率彼此能够分开并且都位于由线缺陷所产生的导模所覆盖频率 范围之内，以便透射谱的测量和分析。

所述光子晶体温度传感器阵列的折射率灵敏度(S)可以示为：S＝Δλ/ΔΤ，其 中Δλ是谐振波长峰值的偏移量；ΔT是感知区域内温度的变化量。当感知区域内 温度发生变化时，谐振腔的谐振频率也随之发生偏移，通过测量和分析透射谱中 谐振波长峰值的偏移变化，即可得到光子晶体温度传感器的灵敏度。

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基于四方晶格介质柱型光子晶体的温度传感器阵列 结构是一种基于二维光子晶体结构，通过设计具有不同谐振频率的谐振腔阵列， 并能够使各谐振腔与光子晶体波导之间实现高效耦合来设计完成的，首次提出将 光子晶体温度传感器阵列在同一块四方晶格介质柱型二维光子晶体模块上实现。

除了光子晶体本身所具有的体积小易于集成、损耗小、功耗低、光场局域等 优点之外，本方案中所陈述的光子晶体温度传感器阵列主要有以下几个优点：1、 本方案中所提及的光子晶体温度传感器阵列的原理是基于单孔微腔与光子晶体 W1.15波导之间的高效耦合实现的。所述光子晶体W1.15波导是加宽了的普通 的线缺陷波导，所述单孔微腔是由改变介质柱半径和平移设计完成的，结构相对 简单，在实际应用过程中可减小由于结构复杂带来的误差；2、本方案中通过合 理的设计谐振腔的结构参数，使各个谐振腔的谐振频率都处于W1.15波导光子 晶体导模所覆盖的频率范围之内。可以保证输出端光强足够强，有利于实际探测 和测量；3、本方案中设计的温度传感器阵列中，每个温度传感器的灵敏度不同， 并且温度灵敏度较高，探测的准确性更高。

本发明的原理如下：

本方案中一种基于四方晶格介质柱单孔微腔的高灵敏度光子晶体温度传感 器阵列是基于二维光子晶体W1.15波导与单孔微腔阵列之间高效耦合实现的。 其基本原理是：当在光子晶体波导附近引入谐振腔阵列后，由于波导与谐振腔之 间的耦合作用，导模中处于谐振频率处的光就会局域到谐振腔内，当耦合强度很 高时，透射谱中导模范围内处于谐振频率处的透射强度就会出现一个明显的下 坠。如果在此基础上改变谐振腔周围感知区域内的温度，那么谐振腔周围硅介质 柱的折射率会发生改变，从而谐振频率发生改变，就会导致输出端透射谱中谐振 峰值的偏移，通过测量分析谐振峰值偏移量的大小与温度变化大小的关系，根据 公式S＝Δλ/ΔΤ，可以得到相应光子晶体传感器阵列的温度灵敏度，其中，其中 Δλ是谐振波长峰值的偏移量；ΔT是检测区域内温度的变化量。所以当在光子晶 体波导附近引入多个不同的谐振腔之后，并且使得所有的谐振频率都位于导模所 覆盖的频率范围之内，由于不同谐振腔对应的谐振频率不同，并且各谐振腔的谐 振频率彼此之间相互独立，相互间隔互不影响，所以透射谱中会产生与谐振腔个 数相等的下坠，即可以实现光子晶体温度传感器阵列。

附图说明

以下各图所取的光子晶体传感器阵列的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是本发明所设计的四方晶格介质柱型光子晶体温度传感器的结构模型 示意图，其中包含了W1.15光子晶体波导和9个与之高效耦合的光子晶体谐振 腔。谐振腔由相邻的9个介质柱组成，其中功能介质柱的半径为r_i，位移为D_i， 上方介质柱半径不变，偏移为d_i；晶格常数a＝600nm,普通介质柱半径r＝108nm， 背景空气的折射率n_air＝1.0，介质柱硅的折射率n_si＝3.4。

图2是本发明所设计的光子晶体温度传感器阵列在空气条件下的透射谱，九 个谐振腔的谐振波长分别为1517nm，1547nm，1575nm，1604nm，1640nm， 1669nm，1702nm，1740nm，1790nm。

图3是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-1改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-1的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图4是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-2改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-2的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图5是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-3改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-3的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图6是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-4改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-4的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图7是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-5改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-5的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图8是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-6改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-6的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图9是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-7改变其周围温度， 而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为0℃、 30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到只有谐 振腔-7的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图10是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-8改变其周围温 度，而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为 0℃、30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到 只有谐振腔-8的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

图11是本发明中的光子晶体传感器阵列结构只有谐振腔-9改变其周围温 度，而其他的传感器微腔的周围温度不变的条件下得到的透射谱。温度分别为 0℃、30℃、60℃、90℃对应的透射谱中曲线分别为实线和三种虚线。可以看到 只有谐振腔-9的谐振波长发生相应的偏移，其他的谐振波长不变。

具体实施方式

四方晶格介质柱型光子晶体温度传感器阵列的结构模型如图1所示，其中包 含了W1.15光子晶体波导和9个与之高效耦合的光子晶体谐振腔。谐振腔由相 邻的9个介质柱组成，其中功能介质柱的半径为r_i，相应的位移为D_i，位于功能 介质柱上方的介质柱位移为d_i；晶格常数a＝600nm,其它介质柱半径r＝108nm， 背景空气介质的折射率为1.0，介质柱硅的折射率n_si＝3.4。当谐振腔的结构参数 r_i，D_i，d_i中任何一个参数发生变化时，谐振腔的谐振频率都会随之变化。因此 可以通过合理的设计各个谐振腔的参数来构成光子晶体温度传感器阵列的基本 结构。

为了实现光子晶体温度传感器阵列结构设计，首先要调节的是谐振腔的结构 参数。

(1)谐振腔中功能介质柱的半径r_i调节

当r_i的取值不同时，谐振腔的谐振频率也不相同。而且随着r_i数值的增加， 谐振腔的谐振频率向低频方向偏移。因此令每个谐振腔的功能介质柱的半径r_i不同，就可以使谐振腔的谐振频率之间有一定的间隔。通过选取合适的r_i，还可 以将谐振腔的谐振频率固定在W1.15波导的禁带范围以内。

(2)谐振腔中功能介质柱以及与他相邻的上一个功能介质柱位移D_i和d_i的调节。

为了增加透射谱中谐振频率处的下坠幅度，同时保证各谐振腔对应的谐振频 率透射谱中不相互重叠，从而能满足光子晶体传感器阵列的要求，需要进一步调 节谐振腔中能介质柱以及与他相邻的上一个功能介质柱的位移D_i和d_i。在调节 D_i和d_i时，谐振波长较没有位移时，有一定的偏移，且透射谱的下坠峰幅度可 以达到很大。

综上所述，通过优化设计光子晶体传感器阵列中谐振腔的结构参数，为了保 证光子晶体温度传感器阵列输出端透射谱中，各谐振腔对应的谐振频率彼此能相 互分开一定间隔，光子晶体传感器阵列中各个谐振腔的结构参数具体可设置如 下：

Cavity-1：r₁＝0，D₁＝0，d₁＝0.2a＝120nm；

Cavity-2：r₂＝0.04a＝24nm，D₂＝0.4a＝240nm，d₂＝0.21a＝126nm；

Cavity-3：r₃＝0.07a＝42nm，D₃＝0.27a＝162nm，d₃＝0.15a＝90nm；

Cavity-4：r₄＝0.09a＝54nm，D₄＝015a＝90nm，d₄＝0.08a＝48nm；

Cavity-5：r₅＝0，D₅＝0，d₅＝0.1a＝60nm；

Cavity-6：r₆＝0.1a＝60nm，D₆＝0.16a＝96nm，d₆＝0.09a＝54nm；

Cavity-7：r₇＝0.08a＝48nm，D₇＝0.23a＝138nm，d₇＝0.11a＝66nm；

Cavity-8：r₈＝0.06a＝36nm，D₈＝0.3a＝180nm，d₈＝0.16a＝96nm；

Cavity-9：r₉＝0，D₉＝0，d₉＝0；

为了分析本方案中所提出的光子晶体传感器阵列的折射率灵敏度(Δλ/ΔT)， 即

S＝Δλ/ΔΤ

当光子晶体温度传感器有效感知区域内温度分别发生变化时，谐振腔的谐振 频率同时会发生偏移。在此实施案例中，改变光子晶体温度传感器有效感知区域 内的温度，根据硅折射率随温度变化公式n(T)＝n₀+αΔT得到相应的折射率， 然后仿真并测量输出端透射谱中谐振频率的偏移量来计算光子晶体传感器的温 度灵敏度。通过图3～11可以分别计算得到本实施案例中谐振腔1～9所对应的光 子晶体的传感器的折射率灵敏度最高为S＝0.067nm/℃。