[發明專利]一種光子晶體微腔與光波導側向耦合的陣列傳感結構

有效

• 申請號: 202010025567.X
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111157491B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 王書濤;程琪;孔德明
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 石家莊眾志華清知識產權事務所(特殊普通合伙) 13123
• 代理人: 張建

本發明公開了一種光子晶體微腔與光波導側向耦合的陣列傳感結構，所述陣列傳感結構基于空氣孔呈三角晶格的二維光子晶體結構進行設計的，所述二維光子晶體結構為圓形空氣柱在硅板上呈三角形晶格進行周期排列而形成的二維光子晶體硅平板結構，通過移除中間一行的空氣孔形成光子晶體線型波導W1，在W1波導兩側各引入三個光子晶體微腔，每個光子晶體微腔包括聚集呈邊長小于晶格常數a的等邊三角形排列的三個空氣孔，并在垂直于三角形邊長的垂線方向各放置一個小空氣孔作為功能孔，所述功能孔半徑r2小于空氣孔半徑R，本發明通過分析計算得到每個光子晶體微腔的品質因子Q和靈敏度S都分別超過1×10⁴和120nm/RUI。

技術領域

本發明涉及一種光子晶體微腔與光波導側向耦合的陣列傳感結構，屬于光子晶體領域。

背景技術

在過去的幾年中，由于光子晶體傳感器可以在不破壞環境的前提下，對環境參數的微小變化提供更高的靈敏度和分辨率已被廣泛應用于生物化學傳感、環境監測等方面。大部分傳統的微納米傳感器只能針對單個點或單個目標進行檢測，而對于多目標任務需要增加檢測次數從而降低了檢測效率。實現多目標檢測的同時，高集成度、低功耗、高靈敏度的微納米傳感器也是重點研究方向。

為了在同一時間對多種目標進行檢測，可以將多個光子晶體微腔耦合到同一光波導，得到光子晶體傳感陣列。在常見的相關技術中，多采用n個一維光子晶體并行排列并耦合到一個輸出端口，但是依然存在結構單一的缺陷，因此，相對于一維光子晶體結構，基于二維的光子晶體傳感器結構更具有多樣化，設計方式也更具有靈活性。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是提供一種光子晶體微腔與光波導側向耦合的陣列傳感結構，制得的光子晶體傳感器能夠實現高品質因子以及高靈敏度的多目標檢測。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種光子晶體微腔與光波導側向耦合的陣列傳感結構，所述陣列傳感結構基于空氣孔呈三角晶格的二維光子晶體結構進行設計的，所述二維光子晶體結構為圓形空氣柱在硅板上呈三角形晶格進行周期排列而形成的二維光子晶體硅平板結構，通過移除中間一行的空氣孔形成光子晶體線型波導W1，在W1波導兩側各引入三個光子晶體微腔，每個光子晶體微腔包括聚集呈邊長小于晶格常數a的等邊三角形排列的三個空氣孔，并在垂直于三角形邊長的垂線方向各放置一個小空氣孔作為功能孔，所述功能孔半徑r2小于空氣孔半徑R。

本發明技術方案的進一步改進在于：為進一步增強光波導帶寬，減弱光波導有效折射率被周期調制而形成布拉格反射鏡效應，將位于W1波導兩側并與之相鄰的兩行空氣孔由圓形改為半圓形且半圓形空氣孔的半徑增大到1.5R。

本發明技術方案的進一步改進在于：通過改變功能孔半徑r2，調節光子晶體微腔的品質因子Q和靈敏度S。

本發明技術方案的進一步改進在于：通過改變功能孔與等邊三角形各邊垂線的角度θ，使之繞該等邊三角形的中心進行旋轉，調節光子晶體微腔的品質因子Q。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述光子晶體結構尺寸為25a×20a，空氣柱陣列大小為24×19，硅板厚度T＝0.61a，硅的折射率為3.45。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述空氣孔半徑R＝0.43a，w1光波導寬度Wg為2R，晶格常數a為615nm。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述光子晶體微腔的品質因子Q超過1×104，靈敏度S超過120nm/RUI。

由于采用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：