一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构

1、说明书一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构传感器技术领域本发明涉及一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构传感器，属于光子晶体传感器技术领域。背景技术目前，新型光子晶体传感器作为一种全新的高性能微纳传感器，由于其特有的高灵敏度、高分辨率、响应时间迅速、体积小易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检测等优势，得到了来自不同应用领域很多研究者的特别关注；随着微纳加工制备技术的发展，光子晶体传感器无论在理论研究方面，还是在实验研究和应用研究领域都得到了很大进展，被认为在实现Lab-on-a-Chip应用方面具备巨大性能潜力和集成优势。与此同时，随着体域网技术的研究深入，服务于人体健康的可穿戴、可植

2、入监护设备已经出现，作为核心元件，超紧凑、高灵敏度微纳集成传感器符合未来传感网络对人体健康信息进行实时性准确监测的应用需求，有关新型光子晶体传感器的研究在高性能微纳感知检测应用研究领域备受关注。目前国际上有关光子晶体传感器的应用研究报道已越来越多，所涉及到的光子晶体传感器的功能种类主要有生化传感器（文献1，Di Falco, A., L. OFaolain, and T. F. Krauss. Chemical sensing in slotted photonic crystal heterostructure cavities. Applied physics letters 94.6 (

3、2009) 063503）、压力感知传感器（文献2，Yang Yi, Daquan Yang, Huiping Tian, and Yuefeng Ji. Photonic crystal stress sensor with high sensitivity in double directions based on shoulder-coupled aslant nanocavity, Sensors and Actuators A: Physical 193 (2013) 149-154）、湿度传感器（文献3，Shi, Jinjie, Vincent KS Hsiao, Thomas R

4、. Walker, and Tony Jun Huang. Humidity sensing based on nanoporous polymeric photonic crystals, Sensors and Actuators B: Chemical 129, no. 1 (2008) 391-396）、折射率传感器（文献4，D. F Dorfner, T.Hürlimann, T.Zabel, L. H.Frandsen, G.Abstreiter, and J. J.Finley. Silicon photonic crystal nanostructures for r

5、efractive index sensing, Applied Physics Letters, 93, 181103 (2008)）、微位移感知传感器（文献5，Daquan Yang, Huiping Tian, and Yuefeng Ji. Microdisplacement sensor based on high-Q nanocavity in slot photonic crystal, Optical Engineering, 50(5), 054402, (2011)）、温度传感器（文献6，H.Lu, M. P. Bernal. Integrated temperature

6、sensor based on an enhanced pyroelectric photonic crystal. Optics express, 21(14), 16311-16318(2013)）等等。上述可实现不同传感功能的光子晶体传感器基本原理都是基于光子晶体光子禁带(PBG，photonics band gap)对禁带内导模在平面内的局域效应，其耦合方式是在光子晶体平面内进行的。随着光子晶体传感器应用研究的深入，光子晶体传感器的性能参数（品质因数Q值、灵敏度、分辨率、集成度）都得到了很大的提升。但与此同时，该类型高性能光子晶体传感器也面临着两个关键技术难题需要解决：1）结构设计复杂

7、，实际制作困难：上述高性能光子晶体传感器结构模型都是基于结构复杂的光子晶体微腔结构，传感结构的优化设计相对比较复杂，而且对于微纳加工制备技术精度要求非常高，不利于光子晶体传感器的实际制作；2）耦合校准复杂，应用测试困难：目前有关光子晶体传感器件的研究和应用，大多都是基于光子晶体结构对光波在结构平面内的导光局域特性实现的，使得该类光子晶体传感器在实际应用测试中需要在传感器件输入输出两端通过两根光纤耦合透镜来进行校准耦合，导致在实际应用测试过程中操作复杂，校准困难，耦合效率不高等问题。文献为了克服上述困难，本发明提出一种全新的基于二维光子晶体与传输型光纤集成结构的高性能微纳传感器。首次提出一种全新

8、的二维光子晶体平板结构，基于光子晶体的法诺共振原理，优化二维光子晶体平板的结构参数，利用微纳平移技术将二维平板光子晶体结构粘附在传输型单模光纤横截面上。本发明通过将光子晶体平板传感器与传输型光纤相结合，利用结构简单的完美光子晶体结构实现了高Q值和高灵敏度的光子晶体集成传感器的设计与应用，不仅操作简单，而且大大降低了在实际应用测试过程中对校准精确度的要求，能有效提高耦合效率。本发明采用完美二维平面光子晶体与传输型光纤微纳集成结构。在传输型单模光纤一端的横截面上引入二维光子晶体结构作为核心敏感元件，使得光波在传输过程中只需经过普通的传输型单模光纤传输就可以直接完成高效耦合共振传输，不需要添加特殊的

9、光纤耦合透镜来提高耦合效率，降低了实际测试应用成本。同时在光纤传输特性优势的基础上，本发明可进一步用于传感器网络的构建和远程实时监测。发明内容 本发明提出一种全新的基于二维光子晶体与传输型光纤集成结构的高性能微纳传感器。该光子晶体微纳传感器可以通过微纳平移技术将二维平板光子晶体结构粘附在传输型单模光纤横截面上制备而成，其中二维平板光子晶体采用结构简单的完美光子晶体结构。通过微注入技术在光子晶体平板的空气孔内注入分析物，当腔内的环境改变时，光子晶体的有效折射率改变，导致透射谱中的谐振峰发生偏移，因此通过观察谐振峰的偏移量可以实现对空气孔内分析物的检测。本发明的主要研究内容是以二维光子晶体与光纤微

10、纳集成结构为研究对象，基于光子晶体Fano共振原理，利用平面波展开法(PWE)，从二维光子晶体能带结构和导模特性入手，重点分析位于能带结构光锥区域内的传导模式(Guided mode)与光子晶体结构垂直方向上的辐射模式(Radiation mode)）之间的耦合共振现象。当光波经光纤传输垂直入射到二维光子晶体平面上时，利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)，深入研究二维光子晶体与光纤微纳集成结构的控光机理以及光场局域特性和透射、反射等光传输特性；进而分析其适应于不同传感功能的传感机制，在此基础上，提出新型基于二维光子晶体与光纤微纳集成结构的高性能微纳传感模型设计。通过软件数值仿真，模拟实际检

11、测环境，对新型二维光子晶体与光纤微纳集成结构传感器的传感性能进行数值分析和评估验证，并进一步完成优化设计，最终获得结构紧凑、感知性能高的二维光子晶体与光纤微纳集成结构传感模型。本发明首次将偏振光分束器和耦合腔波导慢光器件利用两个60°波导集成在同一块平板上，提出了一种利用弯曲波导实现偏振分束器和慢光器件集成的实现方法。该光子晶体集成器件可以在半导体材料基板上通过聚焦粒子束(FIB)技术分段刻蚀得到。1550nm波段TE和TM混合光将从入射口进入W1波导，经过耦合长度L之后，TM光大部分耦合进入与入射波导并列的另一W1波导，TE光则沿弯曲波导连接部分进入慢光器件，通过微腔之间的耦合作用

12、，TE光的群速度减慢，从而可以有更充足的时间对光波携带的信息进行处理，起到光缓存的作用。在本发明制作的集成器件中，两条平行的W1波导构成偏振分束器(PBS)，波导之间间隔一排空气孔，通过仿真软件对其能带图、场图和透射谱进行仿真，得到光波在PBS中的场分布图以及光波在出口的透射谱，可以从中看出TE和TM的消光比均在20dB以上，PBS的分束性能良好。一条W1波导中的一些点缺陷和波导两侧的第一排空气孔构成耦合腔波导(CCW)慢光器件，对CCW能带图进行仿真，处理仿真结果可以得到耦合腔的群折射率曲线，从而说明1550nm光波在空气孔中的群速度变慢，最大群速度为0.0167c。两条60°弯曲

13、波导构成连接部分，对其场图和透射谱进行仿真，从结果中分析出弯曲波导在1550nm波段的透射性能良好，可以实现连接集成器件前后模块的目的。本发明的目的可通过如下措施来实现：一种利用弯曲波导实现偏振分束器和慢光器件集成的实现方法，其中：该光子晶体集成器件是基于三角晶格二维光子晶体波导和耦合腔结构实现的，其中二维光子晶体波导和耦合腔结构可以通过FIB(聚焦离子束：Focused Ion beam)逐段刻蚀制作。所述能同时实现偏振光分束功能和TE光慢光功能的光子晶体集成器件是由偏振光分束器(PBS)、弯曲波导结构和耦合腔波导(CCW)构成。这些器件中波导的宽度均为a，a是三角晶格光子晶体的晶格常数。晶

14、格常数值a=459.25nm，空气孔半径r=165.33nm，背景材料GaAlAs的折射率n=3.32。所述PBS结构的设计可以通过调整耦合区域空气孔半径完成。调整耦合区域空气孔半径可以在实现1550nm波段光波单模传输的同时减小耦合区域长度，从而提高TE光的消光比并有效减小器件尺寸。所述耦合腔波导慢光器件是通过改变耦合腔中心点缺陷和波导两侧波导两侧空气孔的半径得到的。改变中心点缺陷空气孔的大小可以使导模平移，具体表现为半径越小，导模越向上平移，从而实现针对不同频段光波的慢光功能。所述连接结构的设计是通过三个方面来设计完成的，即：一是在两个60°角转弯处各增加一个空气孔；二是两个波导

15、弯曲处沿对称轴方向向外移动特定空气孔位置；三是改变弯曲处空气孔的半径。与传统方法相比本发明有如下优点：本发明中所提及的能同时实现偏振光分束功能和TE光慢光功能的光子晶体集成器件是直接在一块二维光子晶体平板上完成的，通过设计平板上空气孔的半径和位置，无需拼接即可直接实现1550nm波段光波的偏振分束和TE光慢光功能。与传统集成器件相比，本发明具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域性良好等优点。与同类光子晶体集成器件(如文献9)相比，本发明还有如下几个优点：1.本发明设计的PBS结构中，只改变了耦合波导区域的半径，并未改变空气孔的形状，减小了制作难度；2.本发明通过改变耦合腔波导的中心点缺陷

16、半径，可以使导模平移，从而改变器件的工作频段，增加了器件使用范围的灵活性；3.本发明能够在一块光子晶体平板上实现偏振光分束和TE光慢光处理两项功能，有利于器件在PIC中的应用。本发明的原理如下;本发明中一种光子晶体偏振光分束器和光子晶体耦合腔波导慢光器件的集成器件是基于三角晶格二维光子晶体耦合波导以及耦合腔结构实现的。其实现原理是：本发明根据TE光的能带图找到解耦合频率0，并根据TM光的能带图确定TM光在频率0的耦合长度L，据此确定耦合区域的长度也为L。1550nmTE和TM混合光自入射口PortA进入集成器件，由于两条W1波导TE Branch和TM Branch之间的耦合作用，在经过耦合长

17、度L之后，TM光的能量大部分进入TM Branch从Port C输出；同时由于波长1550nm为TE光的解耦合波长(耦合长度为无限长时的波长)，TE光不发生耦合作用，将沿着TE Branch从Port B输出，从而实现偏振分束功能。为了利用分束之后的TE光，在Port B之后加入弯曲波导结构，通过调整弯曲波导的相关参数，增加TE光的透射率。TE光通过弯曲波导结构进入耦合腔波导慢光器件，由于谐振腔之间的耦合作用，大幅减小传输光的群速度，从而实现很强的慢光效应。通过调整谐振腔中心点缺陷和谐振腔周围空气孔的半径，可以使慢光器件的工作频段发生偏移，使慢光器件适用于不同的频率。综上所述，在本发明中155

18、0nm光波进入集成器件之后将会实现偏振分束，同时减小了TE光的群速度，使输出波形发生延迟。附图说明 以下各图所取的光子晶体器件的结构参数均与具体实施方式中相同。 图1是光子晶体偏振光分束器的结构模型示意图，其中包含了两个W1波导，两个波导之间间隔一排空气孔。晶格常数值a=459.25nm，普通空气孔半径r=165.33nm，背景GaAlAs的折射率n=3.32，耦合区域红色空气孔的半径rr=137.78nm=0.3a。Port A为入射口，TE光沿TE Branch从Port B输出，TM光耦合进入TM Branch从Port C输出。图2是利用平面波展开法得到的rr=0.24a时TE光和TM

19、光在偏振光分束器中的能带图。图2(a)是TE的能带图，图2(b)是TM的能带图。图3(a)是耦合区域空气孔半径rr取不同值时可能影响TE光单模特性的色散曲线。五条曲线由上到下依次为rr取0.32a、0.31a、0.30a、0.29a和0.28a时的干扰模色散曲线。黑色虚线表示TE光的解耦合频率-0.301。图3(b) 是耦合区域空气孔半径rr和耦合长度L之间的关系曲线。横坐标表示耦合区域空气孔半径，纵坐标为耦合长度。本发明共取了5组数据，用三角符号表示。图4是利用2D-FDTD算法得到的1550nm波段TE光和TM光在PBS中传播的场图，图4(a)是TE光场图，图4(b)是TM光场图。图5是利

20、用2D-FDTD算法得到的TE光和TM光在Port B和Port C的透射谱，图5(a)表示TE光的透射谱，图5(b)表示TM光的透射谱。绿色曲线是Port B输出的能量和Port A输入能量的比值，红色曲线则表示Port C输出的能量和Port A输入能量的比值。图中小图表示透射谱在1550nm处的放大结果。图6是耦合腔波导结构图，绿色六边形覆盖范围是单个耦合腔，蓝色空气孔半径ra=0.38a，红色空气孔半径rb=0.123a，其余空气孔半径为r。图7是耦合腔波导慢光器件关于TE光的能带图，红色虚线圈出的平坦导模即为耦合腔波导中具有慢光效应的导模，图7右图是该导模的放大图，归一化频率0.30

21、0-0.302之间的导模即为具有慢光效应的导模。图8是谐振频率波段在耦合腔波导慢光器件中的群折射率ng曲线图，横坐标为谐振频率的波长，曲线表示不同波长对应的群折射率ng。图9是耦合腔中心点缺陷（红色空气孔）半径rb取不同值时的慢光导模，横坐标是波矢，纵坐标表示波矢对应的波长。绿色、蓝色和青色曲线分别rb表示取0.123a、0.124a和0.125a时具有慢光效应的导模。图10是集成器件结构图，该集成器件通过两个60°弯曲波导将偏振光分束器和慢光器件连接构成。绿色区域为60°弯曲波导结构，为了增加TE光的透射率，在弯曲波导的两个转折处各增加一个空气孔(橘红色)，并将4个着色空

22、气孔在垂直和水平方向沿箭头方向各移动0.15a，4个着色空气孔的半径rx=0.35a。在弯曲波导出口处放置Monitor A，探测从弯曲波导输出的能量，在集成器件Port B处放置Monitor B，探测从Port B输出的波形。图11是当转弯处空气孔半径rx=0.36a，sx取不同值时集成器件在耦合腔慢光波导入口处的透射谱（透射率由Monitor A探测的能量和Port A输入能量相除得到）。红色虚线圈出的区域为PBS的工作频段。图12是当转弯处空气孔半径sx=0.36a，rx取不同值时集成器件在耦合腔慢光波导入口处的透射谱，红色虚线圈出的区域为PBS的工作频段。图13表示当输入TE光高斯脉

23、冲时，在集成器件的输出端利用Monitor B测得的波形图。图13(a)是不含慢光结构时（即用相同长度W1波导取代耦合腔慢光结构）输出端的波形图，图13(b)是加上慢光结构后的输出端波形图。具体实施方式 光子晶体偏振光分束器的实现PBS的结构如图1所示，其中包含了两个W1波导，两个波导之间间隔一排空气孔。晶格常数值a=459.25nm，普通空气孔半径r=165.33nm，背景GaAlAs的折射率n=3.32，红色空气孔的半径rr=137.78nm=0.3a。Port A为入射口，TE光沿TE Branch从Port B输出，TM光经过耦合长度L之后耦合进入TM Branch并从Port C输出

24、。耦合长度的计算公式如下： 如图2(a)所示，TE光在归一化频率0.301（即1550nm）处奇模(odd)和偶模(even)重合于一点，该点对应频率被称为解耦合频率(Decoupling Frequency)。根据耦合长度计算公式可知耦合长度为无限长，即理论上TE光会一直沿着入射波导传输。这时只需要根据图2(b)得到TM光在解耦合频率0.301处的波矢差值，并通过耦合长度公式计算耦合长度L，然后将两个W1波导中间空气孔区域的长度设为L即可。当耦合区域空气孔半径rr改变时，耦合长度随之发生改变，具体表现为随着rr的增加，耦合长度也逐渐增长，因此rr取较小值时可以显著增加耦合强度，从而缩短耦合距

25、离。然而当rr取值过小时，TE光的单模特性将受到破坏，引起TE光的泄露。因而要想获得良好的分束效果，必须要适当选择rr的大小。(1) rr的大小对单模特性的影响 如图3(a)所示，随着rr取值的增加TE光的解耦合频率基本不会发生变化，但高阶模会随着rr的增加产生红移，即向归一化频率较高的方向偏移。当rr在0.28a-0.30a之间变化时，高阶模色散曲线和解耦合频率曲线相交，此时TE光由于多模效应会有一部分光泄露进入TM Branch。当rr取0.30a以上时，高阶模色散曲线将不再和解耦合频率曲线相交，这就保证了PBS的单模特性，提高TE光的消光比。(2)rr的大小对耦合长度的影响 如图3(b)

26、所示，当耦合区域空气孔半径rr改变时，耦合长度随之发生改变，具体表现为随着rr的增加，耦合长度也线性增长，因而减小rr可以增加耦合强度，缩短耦合距离。本发明共取五组仿真数据，其中在确保PBS单模特性的条件下，rr的最小值为0.3a，此时耦合长度为73a。令耦合区域半径rr=0.3a，当输入光源中心波长是1550nm的高斯光源，TE和TM光的稳态状态下场分布图如图4所示，TE和TM光在Port B和Port C的透射谱如图5所示。从图4(a)中可以看出，TE光被良好的局域在TE Branch中，最终从Port B口输出。图5(a)是TE光在Port B和Port C的透射谱，1550nmTE光在

27、PortB的透射率约为80%，与图4(a)相对应。从图4(b)可以看出，在经过耦合长度L=73a之后，TM光的大部分能量耦合进入TM Branch，并从Port C口输出。图5(b)是TM光在Port B和Port C的透射谱，1550nmTM光在Port C的透射率约为87%，与图5(b)相对应。定义TE和TM光的消光比为：其中，和 分别表示入射光在Port B和Port C的透射率。按照图5的数据计算可得TE光和TM光在1550nm处的消光比均在20dB以上，实现了良好的分束功能。 耦合腔波导慢光器件的实现 为了实现耦合腔波导的慢光器件设计，可以通过改变W1波导内点缺陷半径和W1波导两测各

28、一排空气孔的半径实现。耦合腔波导的结构图如图6所示，耦合腔慢光器件由W1波导中的一些点缺陷和波导两侧第一排的空气孔组成。其中绿色区域覆盖的是单个耦合腔，耦合腔两测蓝色空气孔半径ra=0.38a，中心点缺陷（红色空气孔）半径rb=0.123a，其余空气孔半径为r。在该参数设定下的耦合腔能带曲线如图7所示，图7右图为红色虚线导模的放大图，该导模较为平坦，是具有慢光效应的导模。光脉冲传输的群速度为。在计算中，也可以由介质的色散曲线，即的关系曲线得出，如下： 由于光子晶体具有色散，对于不同频率的光来说，折射率不同，由于n不唯一，需要引入群折射率ng，也可以看做等效折射率ng。图8表示的即是导模对应波段

29、的群折射率。群折射率的最小值约为60，也就是说1550nm波段TE光的群速度减小为光速的1/60，即1.67%，实现了慢光功能。在通信系统的实际应用中慢光器件可以作为缓存器使用，为了扩大慢光器件的使用频率范围，使之能够适应通信要求，需要调整导模位置，改变导模对应的频率。通过改变耦合腔中心点缺陷半径可以达到这一目的。如图11所示，不同半径对应不同的导模，具体表现为随着半径的减小，导模逐渐红移，但导模的带宽基本不变，从而实现了不同波段光波的慢光效应，扩大了耦合腔波导慢光器件的适用范围。弯曲波导集成PBS和CCW的实现在完成了偏振光分束器和耦合腔波导的设计之后，需要使用弯曲波导将两部分器件集成在一块

30、二维光子晶体平板上。如图10所示，两个60°弯曲波导连接光子晶体偏振光分束器和耦合腔波导，从而构成了一个集成器件。当TE和TM混合光入射进集成器件时，TE光将沿着TE Branch传播，在经过弯曲波导之后，进入耦合腔慢光器件；TM光由于入射波导和TM Branch的耦合作用，在通过耦合长度L之后大部分能量进入TM Branch，最终从Port C输出。为了提高弯曲波导的透射率，使光能够更为平滑的通过转弯处，需要在每个波导转弯处增加一个空气孔，并且需要调节转弯处空气孔的结构参数。调节的具体实施方法如下所示：(1) 调节转弯处空气孔位移参数sx为获得更高的透射率，首先要改变转弯处空气孔的

31、位置。如图12所示，设空气孔沿箭头方向移动的距离为sx，由于弯曲波导的对称性（两个60°弯曲波导应当完全相同），4个空气孔移动的距离应为同一数值。图12(a)表示sx和慢光器件入口处透射率曲线的关系，从红色虚线区域的放大图中可以看出，当sx取0-0.15a时1550nm波段的透射率逐渐提高，至0.15a时达到72%。当sx继续增大时，透射率将不再提高：如图12中黑色曲线所示，当sx=0.2a时透射率曲线相比sx=0.15a的透射率曲线有小幅降低；如图12中粉色曲线所示，当sx=0.25a时1550nm波段透射率下降严重，严重影响了弯曲波导的连接效果。因而可将sx确定为0.15a。(2) 调节转弯处空气孔半径参数rx要获得良好的集成性能，还要进一步调整空气孔的半径参数rx，以获得较为平坦的透射率曲线。同样由于弯曲波导的对称性，转弯处的4个空气孔的半径大小应当相同，将之设为rx。改变rx的数值，使用2D-FDTD算法计算TE光经PBS和弯曲波导到达慢光器件入口处的透射率。仿真结果如