[发明专利]基于类EIT效应的双模式一维光子晶体耦合结构传感器

说明书

本文涉及一种基于类EIT效应的双模式一维光子晶体耦合结构传感器设计，属于光子晶体传感器技术领域。本发明将两种具有不同模式的一维光子晶体结构进行耦合以实现光学环境下电磁感应透明(EIT)效应即类EIT效应，结合耦合结构的特殊波形进行更高性能的传感。具体而言，就是在二氧化硅基底上引入空气模式和介质模式的一维光子晶体结构，通过改变光子晶体的结构参数以及耦合结构的相关参数实现类EIT效应。和双参量传感器相比，本发明首次基于光子晶体耦合结构的类EIT效应产生的透明窗口进行传感，并首次基于磷酸缓冲盐溶液(PBS)环境进行折射率及温度传感。本发明可以用于PBS等溶液环境下的折射率传感和温度传感领域。

技术领域

本发明涉及一种基于类EIT效应的双模式一维光子晶体耦合结构传感器，其主要的特点是传感性能优良，可以实现折射率和温度的同时检测，属于光子晶体传感技术领域。

背景技术

近年来生物分子检测被广泛应用在医疗检测、食品安全、环境检测等方方面面。而基于光学方法的无标签生物光学检测因操作较为简单、具有较高的实时性和可靠性而广受关注。PBS缓冲液因可以很好地吸附生物分子而经常作为实验中的缓冲剂以及洗涤剂，其自身的折射率将会影响光学检测的结果。(文献1：Ball,Vincent,and JeremyJ.Ramsden.L.Diéguez,N.Darwish,M.Mir,E.Martínez,M.Moreno,and J.Samitier,Buffer dependence of refractive index increments of protein solutions.Biopolymers:Original Research on Biomolecules 46(7),489-492(1998).)本设计将针对不同的PBS溶液环境进行仿真测量，从而实现对环境折射率及温度的传感。一维光子晶体结构具有高品质因子(Q)和低模式体积(V)的光学特性，能够与环境发生强光物作用，从而可以实现高灵敏度以及高分辨率的传感。另外，其较小的尺寸体积也更适合片上集成。

在目前的研究成果中一维光子晶体双参量传感器的设计主要采用两种方案，一种是将不同模式(例如空气模式和介质模式)的光子晶体结构进行级联(文献2：P.Liu,Y.Shi,Simultaneous measurement of refractive index and temperature usingcascaded side-coupled photonic crystal nanobeam cavities,Opt.Express25(23),28398-28406(2017).)，另一种是通过较为复杂的设计实现单个纳米束内空气模式和介质模式的共存(文献3：Y.Yang,F.Sun,Z.Wang,H.Tian,Ultra-compact Sensor Based on asingle-cavity dual-mode Photonic Crystal Nanobeam for Simultaneous Detectionof Relative Humidity and Temperature.Asia Communications and PhotonicsConference.Optical Society of America,(2020).)。相较于第二种方法，第一种方法的中单模式光子晶体结构的设计更为简单，单个晶胞的设计也更为多样。在级联的过程中，当不同模式的谐振满足某些特定的要求时将会发生新的光学效应，如法诺谐振(文献4：Z.Wang,Z.Fu,F.Sun,C.Wang,J.Zhou,and H.Tian,“Simultaneous sensing ofrefractive index and temperature based on a three-cavity-coupling photoniccrystal sensor,”Opt.Express 27(19),26471-26482(2019).)、电磁诱导透明(文献5：F.Jiang,C.Deng,Q.Lin,L.Wang,Simulation study on active control ofelectromagnetically induced transparency analogue in coupled photonic crystalnanobeam cavity-waveguide systems integrated with graphene,Opt.Express 27(22),32122-32134(2019).)等。这些基于耦合结构产生的干涉效应将可以进一步提高传感器的品质因子，从而优化传感器的性能。