[發明專利]一種基于一維光子晶體納米束腔的雙參數傳感結構

有效

• 申請號: 202010964296.4
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112345114B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 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: G01K11/20
• 分類號: G01K11/20;G01N21/45
• 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: 張明月

本發明公開了一種基于一維光子晶體納米束腔的雙參數傳感結構，屬于光子晶體傳感器技術領域，所述雙參數傳感結構是基于在三個并行排列的一維光子晶體納米束波導上刻蝕呈周期排列的空氣孔而形成的微腔結構進行設計的，由位于絕緣層上方三個并行排列的一維光子晶體納米束腔構成，包括位于中間的帶有寬帶隙的納米束微腔、位于一側的空氣模納米腔和位于另一側的介電模納米腔。本發明制得的光子晶體納米束傳感器能夠實現對折射率與溫度的同時檢測，通過分析計算得空氣模納米腔的折射率靈敏度和溫度靈敏度分別為377.2nm/RIU和101pm/K；介電模納米腔的折射率靈敏度和溫度靈敏度分別為194nm/RIU和261pm/K。

技術領域

本發明涉及光子晶體傳感器技術領域，尤其是一種基于一維光子晶體納米束腔的雙參數傳感結構。

背景技術

近幾十年來，已經證明了基于共振理論的光學傳感器具有高品質因數和小模式體積，可用于各種領域的檢測。在生物化學傳感領域，光子晶體腔結構由于不需要熒光標記和最少的樣品要求而受到越來越多的關注。其中，在生物化學傳感中，分析物的折射率(RI)和溫度(T)都會影響共振波長，并且共振模式探測區域的兩個參數的變化都會引起相應的共振波長偏移。通常，分析物或周圍環境的RI或T之間存在一定的關系。在傳統的傳感過程中，通常假定是在恒定溫度下進行的。但是，在不同的工作溫度下，不僅會影響分析物的折射率，還會影響傳感器本身。因此，有必要考慮溫度對結果的影響。為了同時感測溫度(T)和折射率(RI)，需要雙參數傳感器結構。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是提供一種基于一維光子晶體納米束腔的雙參數傳感結構，是可同時測量折射率與溫度的一維光子晶體納米束腔傳感結構，制得的光子晶體納米束傳感器能夠實現對折射率與溫度的同時檢測。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于一維光子晶體納米束腔的雙參數傳感結構，所述雙參數傳感結構是基于在三個并行排列的一維光子晶體納米束波導上刻蝕呈周期排列的空氣孔而形成的微腔結構進行設計的，由位于絕緣層上方三個并行排列的一維光子晶體納米束腔構成，所述一維光子晶體納米束波導為圓形空氣柱在橫截面為矩形的光波導上呈周期排列而形成的一維光子晶體納米束結構。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述三個并行排列的一維光子晶體納米束腔是基于橫截面為矩形的硅波導分別引入晶格常數以及半徑不同的圓形空氣孔并基于法諾共振相互干涉形成的雙參數傳感結構，包括位于中間的帶有寬帶隙的納米束微腔、位于納米束微腔一側的空氣模納米腔和位于納米束微腔另一側的介電模納米腔；納米束微腔具有較寬的線寬；空氣模納米腔是通過改變該硅波導的寬度，使其呈高斯線性分布，但固定空氣孔半徑不變，得到較窄的共振線寬；介電模納米腔是通過改變空氣孔半徑，使其呈高斯線型變化而固定硅波導寬度不變，同樣得到較窄的共振線寬。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述納米束微腔由半徑不同的五個空氣孔以晶格常數為a1分布在寬度為d1的硅波導中構成；所述空氣模納米腔由16個半徑相同的空氣孔以晶格常數為a2分布在寬度為d2的呈高斯線性分布的硅波導中構成；所述介電模納米腔由25個半徑成高斯線性以晶格常數為a3分布在寬度為d3的硅波導中構成。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述硅波導厚度為T＝220nm，折射率為3.48。

本發明技術方案的進一步改進在于：通過分析計算得空氣模納米腔的折射率靈敏度為377.2nm/RIU，溫度靈敏度為101pm/K。

本發明技術方案的進一步改進在于：通過分析計算得介電模納米腔的折射率靈敏度為194nm/RIU，溫度靈敏度為261pm/K。

本發明技術方案的進一步改進在于：所述絕緣層為二氧化硅絕緣層；二氧化硅絕緣層厚度為2.2μm，折射率為1.4。

由于采用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：