[发明专利]一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构

说明书

本发明涉及一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构。本发明将一个1×8分束器，八个一维光子晶体槽纳米束微腔(1DPC‑SNCs)，八个渐变型一维光子晶体带阻滤波器(1DPC‑TNBF)和一个8×1耦合器串联在二氧化硅衬底上。通过将空气槽加入光子晶体微腔，在保证高Q值得前提下将灵敏度提高到400nm/RIU以上，通过优化微腔的结构，其Q值可达7×10⁵。一维光子晶体带阻滤波器可以实现对微腔高阶模的滤波，实现比较大的自由光谱范围(FSR)，通过与分束/耦合器的级联，可以实现在一个输入/输出端口下的大规模、同时询问的并行复用传感。复用结构的整体尺寸只有64×16μm²(传感区域26×16μm²)，并且没有设计悬浮区域，提高了结构强度并降低了制作难度。本发明可用于超紧凑气体环境复用传感领域。

技术领域

本发明涉及一种基于绝缘体上硅薄膜(SOI)的1×8高性能光子晶体并行复用传感器阵列结构。

背景技术

近年来，基于等离子体亚微米功率分束器(文献1：J.Wang,X.Guan,Y.He,Y.Shi,Z.Wang,S.He,P.Holmstr,L.Wosinski,L.Thylen,and D.Dai,“Sub-μm 2power splittersby using silicon hybrid plasmonic waveguides,”Optics express,19(2),838-847(2011))、多模干涉分束器(文献2：Z.Sheng,Z.Wang,C.Qiu,et al,“A compact and low-loss MMI coupler fabricated with CMOS technology,”IEEE Photonics Journal,4(6),2272-2277(2012))和Y型分束器(文献3：J.Gamet and G.Pandraud,“Ultralow-loss 1×8splitter based on field matching Y junction,”IEEE Photonics TechnologyLetters,16,2060-2062(2004)；文献4：S H.Tao,Q.Fang,J F.Song,et al,“Cascade wide-angle Y-junction 1×16optical power splitter based on silicon wire waveguideson silicon-on-insulator,”Optics Express,16(26),21456-21461(2008))等分束器被广泛研究。高灵敏度的传感器如单束光子晶体槽结构(文献5：D.Yang,P Zhang,H.Tian,Y.Ji,Q.Quan,“Ultrahigh-and Low-Mode-Volume Parabolic Radius-Modulated SinglePhotonic Crystal Slot Nanobeam Cavity for High-Sensitivity Refractive IndexSensing,”IEEE Photonics Journal,7(5),1-8(2015))和双束光子晶体槽结构(文献6：J.Zhou,H.Tian,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,Y.Ji,“Parabolic tapered coupled two photoniccrystal nanobeam slot cavities for high-FOM biosensing,”)。而传感器的复用可以极大提高传感器效率，因此各种类型的光子晶体传感器阵列(文献7：S.Mandal,D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,”Optics Express,16(3),1623-1631(2008)；文献8：D.Yang,H.Tian,Y.Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrayson monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays,”Opticsexpress,19(21),20023-20034(2011)；文献9:J.Zhou,L.Huang,Z.Fu,F.Sun,H.Tian,“Multiplexed Simultaneous High Sensitivity Sensors with High-Order Mode Basedon the Integration of Photonic Crystal 1×3Beam Splitter and Three DifferentSingle-Slot PCNCs,”Sensors,16(7),1050(2016)；文献10：D.Yang,C.Wang,Y.Ji,“Silicon on-chip 1D photonic crystal nanobeam bandstop filters for theparallel multiplexing of ultra-compact integrated sensor array,”OpticsExpress,24(15),16267-16279(2016))被先后提出。这些传感阵列，分别具有高灵敏度、高集成度、多路复用、高结构强度，低设计难度的一项或几项特点。本传感阵列结构特色是绝缘体上硅结构(SOI)被应用于整个设计，没有设计任何悬浮区域，可以同时实现高灵敏度、高集成度、多路复用、高结构强度和低设计难度。