一种基于矩形孔晶格常数渐变的空气模一维光子晶体纳米束腔传感器

摘要

本发明涉及一种基于矩形孔晶格常数渐变的空气模一维光子晶体纳米束腔传感器。本发明在一维纳米束硅波导上，首次通过引入从腔中心到两侧晶格常数逐渐减小的矩形孔，形成空气模光子晶体纳米束腔，使得光场主要局域在低折射率区域，从而增强光与物质相互作用的时间和强度，提高传感器的灵敏度和品质因子。当两侧空气孔数分别为8个时，其品质因子高达1.27×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于矩形孔渐变的一维光子晶体纳米束腔传感器，属于光子晶体传感器技术领域。

背景技术

近年来，具有高品质因子(Q)和小模式体积(V)的一维光子晶体纳米束腔已引起了光学传感器研究者的广泛关注。这是因为高的Q/V比率代表强的光物相互作用，可使光学传感器获得高分辨率和高灵敏度。但是在典型的一维光子晶体纳米束传感器中(文献1：QiminQuan,Daniel L.Floyd,Ian B.Burgess,Parag B.Deotare,Ian W.Frank,Sindy K.Y.Tang,Rob Ilic,and Marko Loncar."Single particle detection in CMOS compatiblephotonic crystal nanobeam cavities,"Optics express 21.26(2013):32225-32233；文献2：Xingwang Zhang,Guangya Zhou,Peng Shi,Han Du,Tong Lin,Jinghua Teng,andFook Siong Chau."On-chip integrated optofluidic complex refractive indexsensing using silicon photonic crystal nanobeam cavities."Optics letters 41.6(2016):1197-1200.)，光场大部分局域在高折射率区域来实现高Q，因此在低折射率区域的检测分析物只能与谐振模式的消逝场相互作用，光场和分析物之间的相互作用很弱，灵敏度低。

因此基于空气模的光子晶体纳米束腔开始被研究。但是，我们发现在目前已发表的空气模光子晶体纳米束腔结构中(文献3：Liang,Feng,and Qimin Quan."Detectingsingle gold nanoparticles(1.8nm)with ultrahigh-Q air-mode photonic crystalnanobeam cavities."ACS Photonics 2.12(2015):1692-1697；文献4：Ping Yu,HuiyeQiu,Hui Yu,Feiqing Wu,Zhuoyuan Wang,Xiaoqing Jiang,and Jianyi Yang."High-Qand High-Order Side-Coupled Air-Mode Nanobeam Photonic Crystal Cavities inSilicon."IEEE Photonic Technology Letters 28.20(2016):2121-2124；文献5：Yang,Daquan,Huiping Tian,and Yuefeng Ji."High-Q and high-sensitivity width-modulated photonic crystal single nanobeam air-mode cavity for refractiveindex sensing."Applied optics 54.1(2015):1-5；文献6：Zhang,Yuguang,and YaochengShi."Temperature insensitive lower-index-mode photonic crystal nanobeamcavity."Optics letters 40.2(2015):264-267；文献7：Lijun Huang,Jian Zhou,FujunSun,Zhongyuan Fu,and Huiping Tian."Optimization of One Dimensional PhotonicCrystal Elliptical-Hole Low-Index Mode Nanobeam Cavities for On-chipSensing."Journal of lightwave technology 34.15(2016):3496-3502.)，大量的孔数目是实现高Q值的必要条件。这使得器件的长度较长，且不易于制造。

因此，为了获得高Q值、高灵敏度和小结构尺寸的传感器，我们一种提出基于矩形孔晶格常数渐变的空气模光子晶体纳米束腔。在不牺牲Q值的情况下，其结构长度相较于已提出的空气模光子晶体纳米束腔可减小一半。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有的一维光子晶体纳米束腔传感器存在的问题：一是介质模一维光子晶体纳米束腔，光场主要局域到高折率区域来获得高Q，使得分析物与光场相互作用弱，从而灵敏度不高的问题；二是现有的空气模一维光子晶体纳米束腔，需要较多的空气孔才能获得高Q，从而结构尺寸较长，不利于制作的问题。

(二)技术方案

为解决上述的问题，本发明提出了基于矩形孔晶格常数渐变的空气模光子晶体纳米束腔。在一维光子晶体硅波导上，刻蚀关于波导中心个数对称晶格常数渐变的矩形孔，从而得到光场局域到低折射率区域，结构尺寸小，Q值高的脊波导结构，由此构成了能实现空气模传感的纳米束腔结构。

上述方案中，所述的刻蚀关于波导中心个数对称晶格常数渐变的矩形孔，是在沿一维光子晶体硅波导方向上，刻蚀关于波导中心个数对称晶格常数渐变的矩形孔结构形成高斯衰减镜像，其中硅的折射率为3.48，波导宽度为700nm，厚度为220nm，矩形孔的大小为200nm×500nm，晶格常数a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n],i指的是结构一侧的第i个矩形孔，a_i指第i个矩形孔的晶格常数，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。

上述方案中，所述的空气模一维光子晶体纳米束腔结构，是指使中心位置处矩形孔晶胞单元的空气模局域到两边晶胞单元的禁带里，提高光的局域强度，增强光物作用的时间，提高传感器的灵敏度和品质因子。

上述方案中，当两侧空气孔的个数n分别为8时，便可获得高品质因子，这是因为该结构在波导传输方向损耗小，光局域能力强。

本发明的原理是，通过从中心到两侧逐渐减小矩形孔的晶格常数，使得中心到两侧晶胞单元的有效折射率逐渐减小，从而光子晶体带隙逐渐向高频平移，中心孔晶胞单元的空气模式从而被两侧晶胞单元的禁带局域，形成空气模光子晶体纳米束腔。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明相较于介质模纳米束腔，在不牺牲品质因子的前提下，灵敏度大幅提高，适用于气体传感。

2.本发明相较与其他类型的空气模光子晶体纳米束腔(纳米束宽度渐变，孔大小渐变)，在不牺牲品质因子的情况下，其结构长度可减小一半，有利于器件的微型化和片上集成。

3.本发明相较于其他类型的一位光子晶体纳米束腔传感器，同时具有高Q值、高灵敏度、低模式体积以及小结构尺寸。

4.本发明仅仅改变矩形孔的位置，而矩形孔的大小保持不变，使得其制作生产简单。

附图说明

以下各图所取的矩形孔晶格渐变的空气模一维光子晶体纳米束腔结构参数以及背景折射率均与具体实施方式中相同。

图1(a)为基于矩形孔晶格常数渐变的空气模一维光子晶体纳米束腔结构示意图。硅的折射率为3.48，波导宽度为700nm，厚度为220nm，矩形孔的大小为200nm×500nm，孔折射率和背景折射率为1。

图1(b)为通过三维时域有限差分方法得到的一维纳米束腔在xy平面和xz平面在谐振波长1521.74nm的电场分布图。

图2为晶格常数分别为500nm和424nm时的能带结构图。

图3(a)为利用三维时域有限差分法得到的一维纳米束的传输透射谱。

图3(b)为对应于透射谱中0阶模、1阶模和2阶模的电场分布，及其相对应的品质因子和模式体积。

图4(a)为当折射率在1.00到1.06范围内变化时，得到的透射谱，插图为不同折射率下0阶模的传输透射谱的放大图。

图4(b)为0阶模谐振波长与折射率变化的关系拟合图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对发明的具体结构、原理以及传感特性作进一步说明。

本发明提出了一种基于矩形孔晶格常数渐变的空气模一维光子晶体纳米束腔生物传感器的实现方法，其结构示意图如图1(a)所示。为了得到空气模式的腔，晶胞的有效折射率需从中心到两侧逐渐减小，从而使光子晶体带隙向高频率移动，中心孔晶胞单元的空气模被局域到两侧一系列的晶胞单元的禁带内，增加光的局域时间和强度。该结构为了实现空气模纳米束腔结构，在沿一维光子晶体硅波导方向上，刻蚀关于波导中心个数对称晶格常数从中心到两侧逐渐减小的矩形孔，其中硅的折射率为3.48，矩形孔和原始背景折射率为1.00，波导宽度为700nm，厚度为220nm，矩形孔的大小为200nm×500nm，晶格常数a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n],i指的是结构一侧的第i个矩形孔，a_i指第i个矩形孔的晶格常数，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。图1(b)为通过三维时域有限差分法得到的一维纳米束腔在xy和xz平面在谐振波长1521.74nm的电场分布图。从图1(b)可以看出，电场被强烈的局域到腔中间的矩形孔中，说明本发明适用于传感，能够增强光与物质的相互作用，提高传感器的灵敏度。

本发明提出的基于矩形孔晶格常数渐变的空气模纳米束腔传感器，主要的参数选择为渐变的晶格常数范围及变化方式。渐变区域晶格常数变化范围及变化方式选择为：首先结合波导宽度、厚度以及矩形孔的大小，选择中心孔的晶格常数，使中心孔晶胞单元的能带图中空气模在1550nm(194THz)附近，通过仿真得到中心孔最优的晶格常数为500nm。然后，利用镜像强度公式结合晶胞的能带图，得到当晶格常数为424nm时，能获得最大的镜像强度γ，其中ω₁和ω₂为上边带和下边带边缘频率，ω_res为中心孔晶胞单元空气模的频率，ω₀为中间带频率。图2展示了一维光子晶体纳米束腔中心孔晶胞单元和最后一个孔晶胞单元的能带图。最后，为了使镜像强度随孔位置线性变化，本发明使晶格常数平方地变化，即a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n]，i指的是结构一侧的第i个矩形孔，a_i指第i个矩形孔的晶格常数，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。

本发明选择每侧矩形孔的个数为8，即n＝8。随着矩形孔的个数增加，Q值也会增加。但本发明设计的空气模一维光子晶体纳米束腔，在当n＝8就已达到高于10⁵的Q值，对于传感器而言，此Q值已足够高。因此在权衡结构尺寸和Q值关系后，选择n＝8。

图3(a)为利用三维时域有限差分法得到的一维纳米束的传输透射谱。从图中可看出，该空气模腔有3个主要的谐振峰，即0阶模，1阶模和2阶模，谐振频率分别为：1521.74nm，1480.14nm和1441.83nm。其相对应的电场分布、品质因子和模式体积，如图3(b)所示。显而易见，0阶模相对于1阶模和2阶模，有更高的Q值，更低的V和更强的光场局域能力。因此，0阶模更适用于进行光学传感。

最后，对基于矩形孔晶格常数渐变的空气模光子晶体纳米束腔传感器的灵敏度进行分析。图4(a)为当折射率在1.00到1.06范围内变化时，得到一维光子晶体纳米束腔结构的透射谱，插图为不同折射率下0阶模的传输透射谱的放大图。图4(b)为0阶模的谐振波长偏移与折射率关系的拟合图。由图可见，随着折射率的增大，谐振峰向长波长偏移，且变化呈线性关系。当折射率从1.00变为1.06，谐振波长从1522.06nm变至1537.16nm，谐振波长偏移了15.10nm。因此，根据灵敏度计算公式S＝Δλ/Δn，计算得到灵敏度为252.62nm/RIU。由此可见，本发明可应用于气体传感，在实际应用中，通过改变环境气体的浓度，检测光传输透射谱的谐振峰的偏移可计算出气体的浓度。