[发明专利]一种波导垂直方向半径渐变型的微腔交错复用的光子晶体传感器阵列结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种波导垂直方向半径渐变的光子晶体，采用四个谐振微腔交错耦合在线缺陷波导两侧，从而构成传感器阵列结构，属于光子晶体传感器技术领域。

背景技术

近几年来，光子晶体传感器以其小尺寸，高灵敏度的特性广泛应用在单片集成电路中，具有很强的研究价值。光子晶体传感器主要采用微腔，环型腔，槽波导，异质结构等多种结构类型实现传感功能。目前，光子晶体传感器的研究主要集中在生化传感器(文献1，A.Falco,L.Faolain,and T.Krauss,“Chemical sensing in slotted photonic crystal heterostructure cavities,”Appl.Phys.Lett.94,063503(2009))，压力传感器(文献2，D.Yang,H.Tian,N.Wu,Y.Yang,and Y.Ji,“Nanoscale torsion-free photonic crystal pressure sensor with ultra-high sensitivity based on side-coupled piston-type microcavity,”Sensors and Actuators A199,30-36(2013))，折射率传感器(文献3，D.F.Dofner，T.Hurlimann，T.Zabel，L.H.Frandsen，G.Abstreiter，and J.J.Finley.Silicon photonic crystal nanostructures for refractive index sensing,Applied Physics Letters93,181103(2008))等等。

随着对光子晶体传感器的深入研究，光子晶体传感器阵列逐渐成为一个研究热点。阵列传感可以在高Q值和高灵敏度的条件下同时实现多种物质的传感检测。例如(文献4，S.Mandal and D.Erickson,“Nanoscale opto-fluidic sensor arrays,”Opt.Express16,1623-1631(2008))，首次提出了小尺寸的光子晶体传感器阵列，(文献5，K.B.Gylfason,C.F.Carlborg,A.Ka′zmierczak,F.Dortu and G.Stemme,“On-chip temperature compensation in an integrated slot-waveguide ring resonator refractive index sensor array,”Opt.Express18,3226-3237(2010))，主要介绍了利用集成槽波导实现折射率传感的阵列结构，(文献6，M.Iqbal,M.A.Gleeson,B.Spaugh,F.Tybor,and L.C.Gunn,“Label-free biosensor arrays based on silicon ring resonators and high-speed optical scanning instrumentation,”Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics16,654-661(2010))设计了一种采用环形谐振腔的生化传感器阵列结构。以上这些传感器阵列实现了同一硅基片上的集成传感，但是相对尺寸较大，而且可级联的传感器数目有限，不利于大规模集成电路的设计。

为了克服上述问题，本发明将波导垂直方向上半径渐变的光子晶体结构与微腔复用相结合构成传感器阵列。将刻蚀在光子晶体绝缘硅上的空气孔半径沿着垂直方向渐变，并在波导两侧交错引入多个谐振腔实现传感功能。本发明利用渐变型结构实现光子晶体传感器阵列，每个传感器相互独立，可单独优化，结构设计简单，制作难度低，实际操作过程中的容错率高。

本发明采用半径渐变型光子晶体结构实现传感阵列，设计不同光子晶体谐振腔结构交错耦合形成传感器阵列，压缩了阵列结构的尺寸，并且避免了波导级联间的耦合损失。同时本发明的传感阵列数目可以根据需要增加，在各个传感区域注入不同的分析探测物质，可以实现多种分析物的实时同步传感。

发明内容