一種介質柱型光子晶體波導與微腔耦合的溫度傳感器的製作方法

2023-04-23 20:36:42

本發明涉及溫度傳感器，尤其是涉及一種介質柱型光子晶體波導與微腔耦合的溫度傳感器。

背景技術：

光子晶體是一種具有光子帶隙特性的人造周期性電介質結構。由於光子晶體具有的光子禁帶和光子局域等特性，其被廣泛應用於傳感領域。目前光子晶體傳感器的研究主要集中於光子晶體壓力傳感器、生物傳感器和折射率傳感器，而光子晶體溫度傳感器的研究相對較少。與傳統溫度傳感器相比，光子晶體溫度傳感器具有體積小，靈敏度高，易於集成等優點。其中，(文獻1，C.S.Mallika,Indira Bahaddur,P.C.Srikanth,Preeta Sharan，Photonic crystal ring resonator structure for temperature measurement，Optik，2015(126):2252-2255)，利用光子晶體波導與環形腔耦合，環形腔的設計相較於其他光子晶體和光纖傳感器，靈敏度有顯著的提高；(文獻2，Abdesselam Hocini,Ahlam Harhouz,Modeling and analysis of the temperature sensitivity in two-dimensional photonic crystal microcavity,Journal of Nanophotonics,2016,10(1):016007-1-10)，基於微腔的介質柱數目和半徑，對光子晶體溫度傳感器的靈敏度進行優化，最終優化結果靈敏度為84pm/℃。上述光子晶體溫度傳感器都是單直線波導與微腔耦合構成，為單傳感測量，無法滿足片上實驗室或片上系統中不同微小區域的多點溫度實時測量要求。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供可實現4個微小區域實時同步溫度傳感的一種介質柱型光子晶體波導與微腔耦合的溫度傳感器。

本發明設有光子晶體T型波導、4個L3型微腔和4個線型波導；

所述光子晶體T型波導的輸入端用於射入光源，光子晶體T型波導的輸出端分別與4個L3型微腔耦合，4個L3型微腔具有不同的諧振頻率，並分別產生4個不同的諧振波峰，4個L3型微腔的不同諧振頻率的光耦合進入對應的4個線型波導中，4個線型波導通過探測器接收到4個不同的諧振波峰的透射譜。

所述光子晶體T型波導可採用四方晶格介質柱光子晶體T型波導；所述光子晶體中的背景介質可為空氣，所述介質柱的材料可採用矽。

所述光子晶體中，晶格常數a為400nm，介質柱的半徑r＝0.3a。

所述介質柱的相對介電常數為11.9，背景介質空氣的折射率為1.00。

所述4個L3型微腔是改變臨近L3型微腔的兩個介質柱的半徑而形成的，半徑分別為r』＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通過設計使每個微腔的諧振頻率相互獨立，並且都位於光子晶體T型波導導模所覆蓋的頻率範圍之內，便於透射譜的分析。

本發明首先利用平面波展開法計算矽基的光子晶體能帶；設計光子晶體T型波導，使得溫度感知區域之間有一定距離，減小不同區域內的溫度串擾；設計光子晶體L3型微腔，利用時域有限差分法對微腔的諧振特性進行仿真。根據公式S＝Δλ/ΔT，得出相應光子晶體溫度傳感器的靈敏度，其中Δλ表示諧振波峰的偏移量；ΔT表示感知區域內溫度的變化量。

在光子晶體T型波導附近引入4個不同的L3型微腔。當光源從T型波導輸入端射入時，通過光子晶體T型波導分別與4個不同的L3型微腔耦合。由於每個L3型微腔具有不同的諧振頻率，產生4個不同的諧振波峰。4個不同諧振頻率的光耦合進入對應的線型波導中，從而通過探測器接收到4個不同諧振波峰的透射譜。

當分別改變某個溫度感知區域內的溫度時，由於熱光效應，光子晶體折射率會隨溫度而線性改變(線性變化可以由公式n(T)＝n0+αΔT表示，其中n0表示溫度為0℃時矽的折射率，α表示光子晶體的熱光係數，ΔT表示感知區域內溫度的變化量)；同時由於熱膨脹，矽介質柱會因受熱而產生形變，假設矽自由膨脹，各個方向產生相同的線應變(線應變可以由公式ξ＝εΔT表示，其中ε表示矽的熱膨脹係數，ΔT表示感知區域內溫度的變化量)。從而導致透射譜中對應的L3型微腔的諧振波峰發生偏移，其他微腔的諧振波峰保持不變。即每個傳感區域可以獨立工作，互不幹擾，從而實現了微小區域內不同溫度的實時監測。

本發明是基於四方晶格介質柱光子晶體波導與微腔耦合實現的，由四方晶格介質柱光子晶體T型波導、4個不同的L3型微腔和4個線型波導耦合而成。其中光子晶體波導與微腔結構可以在矽片上通過FIB(聚焦離子束)或EBL(電子束曝光)實現。

所述光子晶體T型波導提供了四個不同的溫度測量區域。T型波導與微腔的耦合使得溫度感知區域之間存在一定的距離，減小不同區域間的溫度串擾。

所述光子晶體溫度傳感器，利用測量區域內溫度改變對介質柱產生線應變及光子晶體折射率的改變，根據透射譜中的諧振波峰的偏移量來完成對不同區域溫度變化的檢測。

所述光子晶體溫度傳感器具有較高的靈敏度，為61.5pm/℃。靈敏度(S)可表示為：S＝Δλ/ΔT，其中△λ是諧振波峰的偏移量；△T是感知區域內溫度的變化量。當感知區域內溫度發生變化時，微腔的諧振頻率也隨之發生變化，通過測量和分析透射譜中諧振波峰的偏移量，即可得到光子晶體溫度傳感器的靈敏度S。

本發明首次提出利用四方晶格介質柱型光子晶體T型波導與4個L3型微腔耦合構成的溫度傳感器，實現4個微小區域實時同步溫度傳感。

與傳統方法相比，本發明有如下優點：

1.體積小，易於集成；2.T型波導與微腔的耦合使得溫度感知區域之間存在一定的距離，減小不同區域內的溫度串擾；3.通過透射譜的諧振波峰偏移檢測溫度變化，靈敏度高；4.實現溫度傳感陣列，可應用於片上實驗室或片上系統中不同微小區域的溫度實時測量。

附圖說明

圖1是本發明的結構模型示意圖。其中包含光子晶體T型波導1、4個L3型微腔2和4個線型波導3，其中晶格常數a為400nm，介質柱的半徑r為120nm，L3型微腔臨近介質柱半徑r』，分別為0.3a,0.26a,0.18a,0.16a；介質柱(矽)的相對介電常數為11.9，背景介質空氣的折射率為1.00。

圖2是本發明的應用示意圖。其中包含本發明所述介質柱型光子晶體波導與微腔耦合的溫度傳感器、光源A和探測器B。

圖3是本發明在溫度為0℃時的透射譜。4個L3型微腔的諧振波長分別為1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。

圖4是本發明改變第4個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖5是本發明改變第3個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖6是本發明改變第2個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖7是本發明改變第1個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖8是本發明的整體測量系統，包括1550nm雷射器81、第一透鏡光纖82、光子晶體溫度傳感器晶片83、第二透鏡光纖84、光譜儀85、計算機86。

具體實施方式

以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的描述。

本發明實施例的結構模型如圖1所示，本發明實施例設有光子晶體T型波導1、4個L3型微腔2和4個線型波導3；所述光子晶體T型波導1的輸入端用於射入光源，光子晶體T型波導1的輸出端分別與4個L3型微腔2耦合，4個L3型微腔2具有不同的諧振頻率，並分別產生4個不同的諧振波峰，4個L3型微腔2的不同諧振頻率的光耦合進入對應的4個線型波導3中，4個線型波導3通過探測器接收到4個不同的諧振波峰的透射譜。

所述光子晶體T型波導1可採用四方晶格介質柱光子晶體T型波導；所述光子晶體中的背景介質可為空氣，所述介質柱的材料可採用矽。

所述光子晶體中，晶格常數a為400nm，介質柱的半徑r＝0.3a。

所述介質柱的相對介電常數為11.9，背景介質空氣的折射率為1.00。

所述4個L3型微腔是改變臨近L3型微腔的兩個介質柱的半徑而形成的，半徑分別為r』＝0.3a,0.26a,0.18a,0.16a。通過設計使每個微腔的諧振頻率相互獨立，並且都位於光子晶體T型波導導模所覆蓋的頻率範圍之內，便於透射譜的分析。

其中包含了T型光子晶體波導和4個結構不同的L3型光子晶體微腔。其中對與L3型微腔臨近的兩個介質柱半徑進行改變，半徑為r』。晶格常數為400nm，介質柱半徑為120nm，背景空氣折射率為1.0，介質柱矽的折射率為nsi＝sqrt(11.9)。當與L3型微腔臨近的兩個介質柱半徑改變時，諧振腔的諧振波峰都會隨之變化。通過設計使得每個微腔的諧振頻率之間相互獨立，並且都位於光子晶體T型波導導模所覆蓋的頻率範圍之內，便於透射譜的分析。

圖2給出本發明的應用示意圖。其中包含本發明所述介質柱型光子晶體波導與微腔耦合的溫度傳感器、光源A和探測器B。

圖3給出本發明在溫度為0℃時的透射譜。4個L3型微腔的諧振波長分別為1381.94nm、1388.95nm、1404.98nm、1411.79nm。

圖4給出本發明改變第4個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖5給出本發明改變第3個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖6給出本發明改變第2個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖7給出本發明改變第1個L3型微腔周圍的溫度，而其他L3型微腔周圍溫度不變的條件下得到的透射譜。溫度分別為0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，100℃。

圖8給出本發明的整體測量系統，包括1550nm雷射器81、第一透鏡光纖82、光子晶體溫度傳感器晶片83、第二透鏡光纖84、光譜儀85、計算機86；1550nm脈衝光從雷射器81中射出，通過第一透鏡光纖82耦合進光子晶體溫度傳感器晶片83的前端波導之中，在後端波導之中再次利用第二透鏡光纖84引出，連接至光譜儀85上，調節1550nm雷射器81的光波長，記錄光譜儀85上的數據，利用計算機86進行濾波處理後得到平整的透射光譜。

本發明將熱膨脹效應和熱光效應對矽的影響引入到光子晶體微腔諧振模式的計算，得出透射譜中諧振峰值的偏移量與溫度的關係，從而得到光子晶體溫度傳感器的靈敏度。在光子晶體T型波導附近引入多個不同的L3型微腔，並且使得所有微腔的諧振頻率都位于波導導模所覆蓋的頻率範圍之內。由於不同的L3型微腔對應的諧振頻率不同，並且各個微腔的諧振頻率相互獨立，所以透射譜中會產生與L3型微腔個數相同的波峰，從而實現光子晶體溫度傳感。相較於其他光子晶體溫度傳感器，本發明通過T型波導與L3型微腔的耦合使得溫度感知區域之間存在一定的距離，減小不同區域間的溫度串擾。由於該傳感器體積小，靈敏度高，易於集成等優點，可應用於片上實驗室或片上系統中不同微小區域的溫度實時測量。