本發(fā)明涉及一種基于矩形孔漸變的一維光子晶體納米束腔傳感器，屬于光子晶體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，具有高品質(zhì)因子(Q)和小模式體積(V)的一維光子晶體納米束腔已引起了光學(xué)傳感器研究者的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)楦叩腝/V比率代表強(qiáng)的光物相互作用，可使光學(xué)傳感器獲得高分辨率和高靈敏度。但是在典型的一維光子晶體納米束傳感器中(文獻(xiàn)1：Qimin Quan,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 compatible photonic crystal nanobeam cavities,"Optics express 21.26(2013):32225-32233；文獻(xiàn)2：Xingwang Zhang,Guangya Zhou,Peng Shi,Han Du,Tong Lin,Jinghua Teng,and Fook Siong Chau."On-chip integrated optofluidic complex refractive index sensing using silicon photonic crystal nanobeam cavities."Optics letters 41.6(2016):1197-1200.)，光場大部分局域在高折射率區(qū)域來實(shí)現(xiàn)高Q，因此在低折射率區(qū)域的檢測分析物只能與諧振模式的消逝場相互作用，光場和分析物之間的相互作用很弱，靈敏度低。

因此基于空氣模的光子晶體納米束腔開始被研究。但是，我們發(fā)現(xiàn)在目前已發(fā)表的空氣模光子晶體納米束腔結(jié)構(gòu)中(文獻(xiàn)3：Liang,Feng,and Qimin Quan."Detecting single gold nanoparticles(1.8nm)with ultrahigh-Q air-mode photonic crystal nanobeam cavities."ACS Photonics 2.12(2015):1692-1697；文獻(xiàn)4：Ping Yu,Huiye Qiu,Hui Yu,Feiqing Wu,Zhuoyuan Wang,Xiaoqing Jiang,and Jianyi Yang."High-Q and High-Order Side-Coupled Air-Mode Nanobeam Photonic Crystal Cavities in Silicon."IEEE Photonic Technology Letters 28.20(2016):2121-2124；文獻(xiàn)5：Yang,Daquan,Huiping Tian,and Yuefeng Ji."High-Q and high-sensitivity width-modulated photonic crystal single nanobeam air-mode cavity for refractive index sensing."Applied optics 54.1(2015):1-5；文獻(xiàn)6：Zhang,Yuguang,and Yaocheng Shi."Temperature insensitive lower-index-mode photonic crystal nanobeam cavity."Optics letters 40.2(2015):264-267；文獻(xiàn)7：Lijun Huang,Jian Zhou,Fujun Sun,Zhongyuan Fu,and Huiping Tian."Optimization of One Dimensional Photonic Crystal Elliptical-Hole Low-Index Mode Nanobeam Cavities for On-chip Sensing."Journal of lightwave technology 34.15(2016):3496-3502.)，大量的孔數(shù)目是實(shí)現(xiàn)高Q值的必要條件。這使得器件的長度較長，且不易于制造。

因此，為了獲得高Q值、高靈敏度和小結(jié)構(gòu)尺寸的傳感器，我們一種提出基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模光子晶體納米束腔。在不犧牲Q值的情況下，其結(jié)構(gòu)長度相較于已提出的空氣模光子晶體納米束腔可減小一半。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的一維光子晶體納米束腔傳感器存在的問題：一是介質(zhì)模一維光子晶體納米束腔，光場主要局域到高折率區(qū)域來獲得高Q，使得分析物與光場相互作用弱，從而靈敏度不高的問題；二是現(xiàn)有的空氣模一維光子晶體納米束腔，需要較多的空氣孔才能獲得高Q，從而結(jié)構(gòu)尺寸較長，不利于制作的問題。

(二)技術(shù)方案

為解決上述的問題，本發(fā)明提出了基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模光子晶體納米束腔。在一維光子晶體硅波導(dǎo)上，刻蝕關(guān)于波導(dǎo)中心個(gè)數(shù)對稱晶格常數(shù)漸變的矩形孔，從而得到光場局域到低折射率區(qū)域，結(jié)構(gòu)尺寸小，Q值高的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成了能實(shí)現(xiàn)空氣模傳感的納米束腔結(jié)構(gòu)。

上述方案中，所述的刻蝕關(guān)于波導(dǎo)中心個(gè)數(shù)對稱晶格常數(shù)漸變的矩形孔，是在沿一維光子晶體硅波導(dǎo)方向上，刻蝕關(guān)于波導(dǎo)中心個(gè)數(shù)對稱晶格常數(shù)漸變的矩形孔結(jié)構(gòu)形成高斯衰減鏡像，其中硅的折射率為3.48，波導(dǎo)寬度為700nm，厚度為220nm，矩形孔的大小為200nm×500nm，晶格常數(shù)a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n],i指的是結(jié)構(gòu)一側(cè)的第i個(gè)矩形孔，a_i指第i個(gè)矩形孔的晶格常數(shù)，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。

上述方案中，所述的空氣模一維光子晶體納米束腔結(jié)構(gòu)，是指使中心位置處矩形孔晶胞單元的空氣模局域到兩邊晶胞單元的禁帶里，提高光的局域強(qiáng)度，增強(qiáng)光物作用的時(shí)間，提高傳感器的靈敏度和品質(zhì)因子。

上述方案中，當(dāng)兩側(cè)空氣孔的個(gè)數(shù)n分別為8時(shí)，便可獲得高品質(zhì)因子，這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)在波導(dǎo)傳輸方向損耗小，光局域能力強(qiáng)。

本發(fā)明的原理是，通過從中心到兩側(cè)逐漸減小矩形孔的晶格常數(shù)，使得中心到兩側(cè)晶胞單元的有效折射率逐漸減小，從而光子晶體帶隙逐漸向高頻平移，中心孔晶胞單元的空氣模式從而被兩側(cè)晶胞單元的禁帶局域，形成空氣模光子晶體納米束腔。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明相較于介質(zhì)模納米束腔，在不犧牲品質(zhì)因子的前提下，靈敏度大幅提高，適用于氣體傳感。

2.本發(fā)明相較與其他類型的空氣模光子晶體納米束腔(納米束寬度漸變，孔大小漸變)，在不犧牲品質(zhì)因子的情況下，其結(jié)構(gòu)長度可減小一半，有利于器件的微型化和片上集成。

3.本發(fā)明相較于其他類型的一位光子晶體納米束腔傳感器，同時(shí)具有高Q值、高靈敏度、低模式體積以及小結(jié)構(gòu)尺寸。

4.本發(fā)明僅僅改變矩形孔的位置，而矩形孔的大小保持不變，使得其制作生產(chǎn)簡單。

附圖說明

以下各圖所取的矩形孔晶格漸變的空氣模一維光子晶體納米束腔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及背景折射率均與具體實(shí)施方式中相同。

圖1(a)為基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模一維光子晶體納米束腔結(jié)構(gòu)示意圖。硅的折射率為3.48，波導(dǎo)寬度為700nm，厚度為220nm，矩形孔的大小為200nm×500nm，孔折射率和背景折射率為1。

圖1(b)為通過三維時(shí)域有限差分方法得到的一維納米束腔在xy平面和xz平面在諧振波長1521.74nm的電場分布圖。

圖2為晶格常數(shù)分別為500nm和424nm時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)圖。

圖3(a)為利用三維時(shí)域有限差分法得到的一維納米束的傳輸透射譜。

圖3(b)為對應(yīng)于透射譜中0階模、1階模和2階模的電場分布，及其相對應(yīng)的品質(zhì)因子和模式體積。

圖4(a)為當(dāng)折射率在1.00到1.06范圍內(nèi)變化時(shí)，得到的透射譜，插圖為不同折射率下0階模的傳輸透射譜的放大圖。

圖4(b)為0階模諧振波長與折射率變化的關(guān)系擬合圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖，對發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及傳感特性作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提出了一種基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模一維光子晶體納米束腔生物傳感器的實(shí)現(xiàn)方法，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。為了得到空氣模式的腔，晶胞的有效折射率需從中心到兩側(cè)逐漸減小，從而使光子晶體帶隙向高頻率移動(dòng)，中心孔晶胞單元的空氣模被局域到兩側(cè)一系列的晶胞單元的禁帶內(nèi)，增加光的局域時(shí)間和強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)空氣模納米束腔結(jié)構(gòu)，在沿一維光子晶體硅波導(dǎo)方向上，刻蝕關(guān)于波導(dǎo)中心個(gè)數(shù)對稱晶格常數(shù)從中心到兩側(cè)逐漸減小的矩形孔，其中硅的折射率為3.48，矩形孔和原始背景折射率為1.00，波導(dǎo)寬度為700nm，厚度為220nm，矩形孔的大小為200nm×500nm，晶格常數(shù)a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n],i指的是結(jié)構(gòu)一側(cè)的第i個(gè)矩形孔，a_i指第i個(gè)矩形孔的晶格常數(shù)，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。圖1(b)為通過三維時(shí)域有限差分法得到的一維納米束腔在xy和xz平面在諧振波長1521.74nm的電場分布圖。從圖1(b)可以看出，電場被強(qiáng)烈的局域到腔中間的矩形孔中，說明本發(fā)明適用于傳感，能夠增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明提出的基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模納米束腔傳感器，主要的參數(shù)選擇為漸變的晶格常數(shù)范圍及變化方式。漸變區(qū)域晶格常數(shù)變化范圍及變化方式選擇為：首先結(jié)合波導(dǎo)寬度、厚度以及矩形孔的大小，選擇中心孔的晶格常數(shù)，使中心孔晶胞單元的能帶圖中空氣模在1550nm(194THz)附近，通過仿真得到中心孔最優(yōu)的晶格常數(shù)為500nm。然后，利用鏡像強(qiáng)度公式結(jié)合晶胞的能帶圖，得到當(dāng)晶格常數(shù)為424nm時(shí)，能獲得最大的鏡像強(qiáng)度γ，其中ω₁和ω₂為上邊帶和下邊帶邊緣頻率，ω_res為中心孔晶胞單元空氣模的頻率，ω₀為中間帶頻率。圖2展示了一維光子晶體納米束腔中心孔晶胞單元和最后一個(gè)孔晶胞單元的能帶圖。最后，為了使鏡像強(qiáng)度隨孔位置線性變化，本發(fā)明使晶格常數(shù)平方地變化，即a_i＝a₁-(i-1)²(a₁-a_n)/(n-1)²,i∈[1,n]，i指的是結(jié)構(gòu)一側(cè)的第i個(gè)矩形孔，a_i指第i個(gè)矩形孔的晶格常數(shù)，其中a₁＝500nm，a_n＝424nm。

本發(fā)明選擇每側(cè)矩形孔的個(gè)數(shù)為8，即n＝8。隨著矩形孔的個(gè)數(shù)增加，Q值也會(huì)增加。但本發(fā)明設(shè)計(jì)的空氣模一維光子晶體納米束腔，在當(dāng)n＝8就已達(dá)到高于10⁵的Q值，對于傳感器而言，此Q值已足夠高。因此在權(quán)衡結(jié)構(gòu)尺寸和Q值關(guān)系后，選擇n＝8。

圖3(a)為利用三維時(shí)域有限差分法得到的一維納米束的傳輸透射譜。從圖中可看出，該空氣模腔有3個(gè)主要的諧振峰，即0階模，1階模和2階模，諧振頻率分別為：1521.74nm，1480.14nm和1441.83nm。其相對應(yīng)的電場分布、品質(zhì)因子和模式體積，如圖3(b)所示。顯而易見，0階模相對于1階模和2階模，有更高的Q值，更低的V和更強(qiáng)的光場局域能力。因此，0階模更適用于進(jìn)行光學(xué)傳感。

最后，對基于矩形孔晶格常數(shù)漸變的空氣模光子晶體納米束腔傳感器的靈敏度進(jìn)行分析。圖4(a)為當(dāng)折射率在1.00到1.06范圍內(nèi)變化時(shí)，得到一維光子晶體納米束腔結(jié)構(gòu)的透射譜，插圖為不同折射率下0階模的傳輸透射譜的放大圖。圖4(b)為0階模的諧振波長偏移與折射率關(guān)系的擬合圖。由圖可見，隨著折射率的增大，諧振峰向長波長偏移，且變化呈線性關(guān)系。當(dāng)折射率從1.00變?yōu)?.06，諧振波長從1522.06nm變至1537.16nm，諧振波長偏移了15.10nm。因此，根據(jù)靈敏度計(jì)算公式S＝Δλ/Δn，計(jì)算得到靈敏度為252.62nm/RIU。由此可見，本發(fā)明可應(yīng)用于氣體傳感，在實(shí)際應(yīng)用中，通過改變環(huán)境氣體的濃度，檢測光傳輸透射譜的諧振峰的偏移可計(jì)算出氣體的濃度。