一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构

摘要

本发明涉及一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构。本发明将一个1×8分束器，八个一维光子晶体槽纳米束微腔(1DPC‑SNCs)，八个渐变型一维光子晶体带阻滤波器(1DPC‑TNBF)和一个8×1耦合器串联在二氧化硅衬底上。通过将空气槽加入光子晶体微腔，在保证高Q值得前提下将灵敏度提高到400nm/RIU以上，通过优化微腔的结构，其Q值可达7×105。一维光子晶体带阻滤波器可以实现对微腔高阶模的滤波，实现比较大的自由光谱范围(FSR)，通过与分束/耦合器的级联，可以实现在一个输入/输出端口下的大规模、同时询问的并行复用传感。复用结构的整体尺寸只有64×16μm2(传感区域26×16μm2)，并且没有设计悬浮区域，提高了结构强度并降低了制作难度。本发明可用于超紧凑气体环境复用传感领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构。

背景技术

近年来，基于等离子体亚微米功率分束器(文献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 splittersby using silicon hybrid plasmonic waveguides,”Optics express,19(2),838-847(2011))、多模干涉分束器(文献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(文献3：J.Gamet and G.Pandraud,“Ultralow-loss 1×8splitter based on field matching Y junction,”IEEE Photonics TechnologyLetters,16,2060-2062(2004)；文献4：S H.Tao,Q.Fang,J F.Song,et al,“Cascade wide-angle Y-junction 1×16optical power splitter based on silicon wire waveguideson silicon-on-insulator,”Optics Express,16(26),21456-21461(2008))等分束器被广泛研究。高灵敏度的传感器如单束光子晶体槽结构(文献5：D.Yang,P Zhang,H.Tian,Y.Ji,Q.Quan,“Ultrahigh-and Low-Mode-Volume Parabolic Radius-Modulated SinglePhotonic Crystal Slot Nanobeam Cavity for High-Sensitivity Refractive IndexSensing,”IEEE Photonics Journal,7(5),1-8(2015))和双束光子晶体槽结构(文献6：J.Zhou,H.Tian,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,Y.Ji,“Parabolic tapered coupled two photoniccrystal nanobeam slot cavities for high-FOM biosensing,”)。而传感器的复用可以极大提高传感器效率，因此各种类型的光子晶体传感器阵列(文献7：S.Mandal,D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,”Optics Express,16(3),1623-1631(2008)；文献8：D.Yang,H.Tian,Y.Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrayson monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays,”Opticsexpress,19(21),20023-20034(2011)；文献9:J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,H.Tian,“Multiplexed Simultaneous High Sensitivity Sensors with High-Order Mode Basedon the Integration of Photonic Crystal 1×3Beam Splitter and Three DifferentSingle-Slot PCNCs,”Sensors,16(7),1050(2016)；文献10：D.Yang,C.Wang,Y.Ji,“Silicon on-chip 1D photonic crystal nanobeam bandstop filters for theparallel multiplexing of ultra-compact integrated sensor array,”OpticsExpress,24(15),16267-16279(2016))被先后提出。这些传感阵列，分别具有高灵敏度、高集成度、多路复用、高结构强度，低设计难度的一项或几项特点。本传感阵列结构特色是绝缘体上硅结构(SOI)被应用于整个设计，没有设计任何悬浮区域，可以同时实现高灵敏度、高集成度、多路复用、高结构强度和低设计难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构。

(二)技术方案

实现本发明发明目的的技术方案是基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构的实现方法，其特征在于：该光子晶体传感器阵列是基于一维纳米束波导和硅波导分束/耦合器相结合，即空气孔硅介质SOI背景结构；在一维光子晶体中引入槽结构并与硅波导和一维光子晶体滤波器直接耦合，通过级联分束/耦合器实现并行光子晶体传感器阵列。

本发明技术方案的进一步优化方案为：

将一个1×8分束器，八个一维光子晶体槽纳米束微腔(1DPC-SNCs)，八个渐变型一维光子晶体带阻滤波器(1DPC-TNBF)和一个8×1耦合器串联在厚度2μm的二氧化硅衬底上。

所述光子晶体结构包含的空气孔个数为40，厚度为220nm，晶格常数为a＝450nm。空气孔占空比结构为0.25-0.17的渐变。尺寸仅为13.6μm×0.65μm。通过改变空气孔的半径可以调节谐振腔频率，通过增加空气孔的个数可以一定程度上提高品质因数Q。同时，在微腔中加入空气槽，可以极大提高微腔的灵敏度。

所述的一种一维光子晶体滤波器，其光子晶体结构包含的空气孔个数为20，结构尺寸仅为8.2μm×0.65μm，该传感器结构尺寸小，利于集成。在一维光子晶体波导末端引入渐变空气孔，可以极大减少旁瓣抖动。

所述的一种分束/耦合器，采用基于SOI的硅波导Y型分束器作为光子晶体并联复用用感的分束器，基于SOI的硅波导的多模干涉耦合器作为光子晶体并联复用用感的耦合器。利用贝塞尔曲线设计弯曲波导，实现分束/耦合器的设计灵活性。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.尺寸小，结构简单；

2.通过引用槽结构，极大的提高了灵敏度S。传感器缺陷腔的灵敏度可达439nm/RIU。

3.本发明提供的1×8分束器和8×1耦合器的结构尺寸分别为40μm×36μm和26μm×36μm，插入损耗分别为0.29dB和0.07dB。

4.绝缘体上硅结构(SOI)被应用于整个设计，没有设计任何悬浮区域，可以提高结构强度，降低设计难度。

附图说明

图1是本发明实施提供的基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构示意图，其中插图是单个传感单元的放大图。

图2(a)一维光子晶体纳米束微腔的结构图。

图2(b)一维光子晶体纳米束微腔的电场分布图。

图3(a)利用PWE方法计算得到占空比(f)为0.25和0.17的能带图。

图3(b)不同占空比(f)的镜像强度。

图4(a)利用FDTD方法计算得到微腔的透射图。

图4(b)利用FDTD方法计算得到不同灵敏度下的谐振透射图，通过谐振峰变化可以计算微腔的灵敏度。

图5(a)一维光子晶体滤波器的结构图。

图5(b)一维光子晶体滤波器入射频率在阻带时的电场图(1609.81nm)。

图5(c)一维光子晶体滤波器入射频率在通带时的电场图(1501.55nm)。

图6一维光子晶体纳米束微腔与一维光子晶体滤波器级联和不与一维光子晶体滤波器级联的对比图。

图7(a)利用FDTD方法计算得到复用传感器阵列在不同灵敏度下的谐振透射图。

图7(b)利用FDTD方法计算得到复用传感器阵列在只有一个传感单元折射率发生变化时的谐振投射图。

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，对发明进一步详细说明。

首先，本发明实施提供的基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构示意图如图1所示。其中，光子晶体的硅波导厚度为220nm，分束/耦合器的波导宽度为480nm，

图2(a)给出了一维光子晶体纳米束的结构图。晶格常数为a＝460nm，渐变区域空气孔半径r_center＝152.6nm到r_end＝125.8nm呈抛物线变化，共10个空气孔。镜像区域空气孔半径为r_end，共5个空气孔。W波导宽度为650nm。图2(b)给出了一维光子晶体纳米束在谐振频率的电场分布图，可以看到光局域到空气槽中，极大的提高了灵敏度并降低了微腔的模式体积。

图3(a)利用PWE方法计算得到一维光子晶体单个周期单元TE极化的能带结构图。如图2所示，其纵坐标是归一化频率(2πc/a)，可以看到在占空比(f)为0.25和0.17时的光子带隙。图3(b)是不同占空比下的镜像强度，其计算方法是其中，w_res是目标频率，w₁，w₂，和w₀分别是介质带边缘，空气带边缘和每个部分下的带隙中心频率。利用确定性高Q值计算方法(文献11：Q.Quan,M.Loncar,“Deterministic>

接下来研究基于SOI的一维光子晶体槽纳米束微腔传感器的灵敏度。图4(a)是利用FDTD方法计算得到的透射图。光子晶体传感器的灵敏度S定义为Δλ/Δn，改变多小孔缺陷微腔周围空气孔的折射率会引起谐振波长的偏移。当图2中的环境折射率n在1到1.04范围内变化时，利用FDTD方法计算得到的，在不同折射率下的谐振峰偏移透射曲线如图4(b)所示。当折射率n逐渐增大时，多小孔缺陷腔的透射峰逐渐向长波长方向移动。由图4(b)可知，多小孔缺陷腔的谐振波长与折射率的变化呈线性关系。本发明实施提供的一维光子晶体槽纳米束光子晶体传感器的灵敏度S为439nm/RIU。

图5(a)给出了一维光子晶体滤波器的结构图。滤波区域空气孔半径为r_f＝90nm，共16个空气孔，渐变区域空气孔半径r_f＝90nm到r_fe＝45nm，每侧2个空气孔，使其面积呈线性变化，即W波导宽度为650nm。图5(b)和图5(c)分别给出了一维光子晶体滤波器在阻带(1609.81nm)和通带(1501.55nm)的电场分布图。图6是利用FDTD方法计算得到的一维光子晶体纳米束微腔与一维光子晶体滤波器级联和不与一维光子晶体滤波器级联的对比图。图7(a)利用FDTD方法计算得到复用传感器阵列在不同灵敏度下的谐振透射图。图7(b)利用FDTD方法计算得到复用传感器阵列在只有一个传感单元折射率发生变化时的谐振投射图。