一种低解调误差光子晶体双参量传感器

技术领域

本发明涉及一种低解调误差光子晶体双参量传感器，属于光子晶体传感器技术领域。

背景技术

基于光子晶体纳米束腔的传感器相比其他光学结构的传感器，具有模式体积小、品质因子高以及易于片上集成等优势，已经引起光学传感器研究者极大关注(文献1：Qifeng Qiao,Ji Xia,Chengkuo Lee and Guangya Zhou.“Applications of photoniccrystal nanobeam cavities for sensing”,Micromachines 9(11),541(2018)；文献2：Parthan Saha and Mrinal Sen.“Ultrahigh Q-factor and ultrasensitive refractiveindex sensor based on a multiple-slot photonic crystal cavity”,IEEEtransactions on instrumentation and measurement 70,9504509(2021)；文献3：YingChen,Min Zhang,Chunyan Xiao,Shaohua Li and Qiguang Zhu.“Sensing mechanism ofphotonic crystal nanobeam side coupling cascaded aperture chirped nanobeamcavities structure”,Optik 243,167371(2021).)。由于温度对传感器的检测结果会产生影响，因此消除检测环境中温度的影响有利于提升传感器的检测精度，能够同时检测溶液浓度和温度的双参量光子晶体纳米束腔传感器可以有效消除温度的影响(文献4：FujunSun,Jingxuan Wei,Bowei Dong,Yiming Ma,Yuhua Chang,Huiping Tian and ChengkuoLee.“Coexistence of air and dielectric modes in single nanocavity”,OpticsExpress 27(10),14085-14098(2019)；文献5：Zhe Han,Chao Wang,Yuanyuan Liu andHuiping Tian.“Simultaneous detection of complex refractive index andtemperature using a compact side-coupled photonic crystal nanobeam cavity”,Journal of the optical society of America B-optical physics 38(9),2765-2774(2021).)。对于双参量传感器而言，增大两个传感模式的灵敏度差异可以有效降低解调误差，但现有光子晶体纳米束腔双参量传感器普遍存在灵敏度差异较小的缺点。虽然已有研究通过结合具有高热光系数的聚合物来增大灵敏度差异，但是这种方法的结构复杂度较高，增加了制作成本(文献6：Xuepei Li,Chao Wang,Zheng Wang,Zhongyuan Fu,Fujun Sunand Huiping Tian.“Anti-external interference sensor based on cascadedphotonic crystal nanobeam cavities for simultaneous detection of refractiveindex and temperature”,Journal of light technology 37(10),2209-2216(2019)；文献7：Shuo Yang,Yongqin Wu,Ying Yang,Chao Wang and Huiping Tian.“Highsensitivity and anti-external interference dual-parameter sensor based on amultimode slotted photonic crystal nanobeam cavity”,Journal of modern optics68(7),357-364(2021).)。

为了在不采用聚合物的前提下实现显著的灵敏度差异，我们巧妙地将有槽与无槽纳米束腔结合，通过结构优化，使得两个谐振腔传感模式的电场分布存在显著差异，进而增大了折射率灵敏度和温度灵敏度差异。有槽腔和无槽腔的折射率灵敏度分别为728nm/RIU和146nm/RIU，有槽腔和无槽腔的温度灵敏度分别为-29pm/K和58pm/K，传感器分辨率引起的解调误差为1.6×10

发明内容

本发明将有槽与无槽光子晶体纳米束腔结合，在不采用聚合物的前提下，实现了显著的灵敏度差异，提出了一种具有低解调误差的光子晶体纳米束腔双参量传感器。

1.本发明的具体内容

对于光子晶体双参量传感器的传感特性来说，增大两个传感模式的传感灵敏度差异有利于降低解调误差。

(1)本发明提出将有槽与无槽光子晶体纳米束腔相结合，如图1所示，利用一个1×2分束器和2×1耦合器将两个纳米束腔并联。纳米束腔是通过在硅波导上刻蚀纳米孔形成的，纳米束腔、分束器和耦合器的厚度均为220nm，衬底为二氧化硅，部分区域衬底被刻蚀，有利于进一步增强光物反应。

(2)有槽纳米束腔采用矩形孔，渐变方式为纳米槽宽度渐变，引入纳米槽增大光物反应区域。无槽纳米束腔基于椭圆孔晶格常数渐变，椭圆孔的基模和一阶模谐振波长差较大，可以避免两个谐振腔并联后频谱重叠。

(3)有槽腔的电场主要被局域在纳米槽区域，无槽腔的电场主要局域在硅波导中，因为硅的热光系数与水溶液的热光系数相反，在没有采用高热光系数聚合物材料前提下，实现了折射率灵敏度差异显著、温度灵敏度极性相反的优良特性，获得了低解调误差。

2.本发明的优点如下：

(1)本发明与全硅光子晶体双参量传感器相比具有显著的折射率灵敏度差异且温度灵敏度极性相反，解调误差低。

(2)本发明与可实现温度灵敏度极性相反的光子晶体传感器相比，无需结合高热光系数聚合物材料，降低了制备复杂度以及成本。

(3)本发明结构紧凑，适合多路集成复用后同时检测多份待测溶液。

3.本发明的原理如下：

(1)有槽和无槽纳米束腔分别采用槽宽度渐变和晶格常数渐变方式，有槽腔采用矩形孔，无槽腔采用椭圆孔，实现了基模和一阶模大的谐振波长差异，避免了频谱重叠。

(2)通过1×2分束器和2×1耦合器实现两个纳米束腔并联，结构优化后，分束器和耦合器的弯曲损耗得到有效降低。

(3)有槽腔的光场主要分布在槽区域内，无槽腔的光场主要分布在硅结构中，光场与待测溶液的相互作用差异明显，因此两个纳米束腔产生显著的折射率灵敏度和温度灵敏度差异，有效降低了双参量传感器的解调误差。

附图说明

图1是有槽与无槽光子晶体纳米束腔并联的折射率和温度传感器结构示意图。

图2(a)是有槽纳米束腔结构示意图。图2(b)是有槽纳米束腔槽宽分别为170nm和120nm的能带图。图2(c)是有槽纳米束腔不同槽宽对应的镜像强度。图2(d)是有槽纳米束腔的光场分布图。

图3(a)是无槽纳米束腔结构示意图。图3(b)是无槽纳米束腔晶格常数分别为335nm和374nm的能带图。图3(c)是无槽纳米束腔不同晶格常数对应的镜像强度。图3(d)是无槽纳米束腔的光场分布图。

图4(a)是当温度在300K到330K范围内变化时得到的透射谱。图4(b)是当温度在300K到330K范围内变化时得到的谐振波长偏移与温度的拟合图。图4(c)是当折射率在1.33到1.345范围内变化时得到的透射谱。图4(d)是当折射率在1.33到1.345范围内变化时得到的谐振波长偏移与折射率的拟合图。

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。

本发明提出一种低解调误差光子晶体双参量传感器，其结构示意图如图1所示。有槽和无槽纳米束腔通过分束器和耦合器并联，采用悬浮结构，增大光物反应区域，提升灵敏度。有槽和无槽纳米束是在硅波导刻蚀矩形或椭圆孔实现的，波导宽度650nm，厚度220nm，硅的折射率为3.46，水环境的折射率为1.33。

图2(a)给出了有槽纳米束腔的结构示意图，有槽纳米束腔采用矩形孔加槽方式，孔的尺寸和晶格常数不变，槽宽度渐变。图2(b)给出了槽宽分别为170nm和120nm时对应的能带结构图。中心槽宽为170nm，边缘槽宽为120nm，中心槽宽的下边带位于边缘槽宽的光子带隙中，边缘槽宽选择120nm是因为此时镜像强度最大，如图2(c)所示，镜像强度γ计算公式为：

图3(a)给出了无槽纳米束腔的结构示意图，无槽纳米束腔采用椭圆孔尺寸不变，晶格常数渐变方式。图3(b)给出了中心晶格常数335nm和边缘晶格常数374nm对应的能带结构图。图3(c)描述了镜像强度随晶格常数的变化情况，边缘晶格常数为374nm时镜像强度取到最大值。图3(d)是无槽纳米束腔的光场分布，光场主要分布在高折射率区域，与有槽纳米束腔的光场分布差异显著。

结构参数确定后，接下来对传感器的温度灵敏度和折射率灵敏度进行分析。图4(a)是温度分别为300K，310K，320K和330K对应的透射谱，透射谱由时域有限差分法计算得到。可以看出当温度升高时，有槽腔和无槽腔的谐振波长分别发生蓝移和红移，意味着两者的温度灵敏度极性相反，这是由于两个腔光场分布差异显著且硅材料和水溶液热光系数相反导致的，符合设计预期。图4(b)是谐振波长与温度的拟合图，两个腔均为线性变化，有利于数据测量。有槽腔和无槽腔的温度灵敏度分别为-29pm/K和58pm/K。图4(c)是折射率分别为1.33,1.335,1.34和1.345对应的透射谱，可以看出有槽腔的谐振波长偏移明显比无槽腔大，图4(d)是波长偏移与折射率的拟合图，两个腔线性变化，且斜率(即折射率灵敏度)差异明显，有槽腔和无槽腔的折射率灵敏度分别为728nm/RIU和146nm/RIU。有槽腔和无槽腔的温度灵敏度极性相反、折射率灵敏度差异明显。以上灵敏度确定后，折射率和温度的解调公式如下：

其中Δn和ΔT分别表示折射率和温度的变化量，Δλ

考虑传感器分辨率引起的谐振波长误差(δλ

其中δn和δT分别是Δn和ΔT的误差。δλ

所设计传感器的解调误差为1.6×10