本发明专利技术公开了一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，属于光子晶体集成传感器技术领域。所述传感阵列包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经N×1的S型功率合成器合成一束光波输出。本发明专利技术结构设计紧凑，解调简单，实际制作简单，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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光子晶体集成传感器
，涉及一种新型的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列。
技术介绍
目前，超小型高灵敏度生化传感器在多种应用方面具有巨大吸引力，如医疗诊断、药物开发、环境保护、医疗保障和食品安全，而光学传感技术是进行灵敏、实时、无标记生物分子检测的最流行的方法之一。在过去的几十年中，已经开发了各种不同谐振模式的光子结构作为光学传感器装置。最常用的方案有基于表面等离子体共振(SPR)原理(文献1，Y.Liu,S.Chen,Q.Liu,J.Masson,and W.Peng,“Compact multi-channel surface plasmon resonance sensor for real-time multi-analyte biosensing,”Opt.Express 23(16),20540-20548,2015.)，回音壁微谐振器(WGM)(文献2，B.Li,W.Clements,X.Yu,K.Shi,Q.Gong,and Y.Xiao,“Single nanoparticle detection using split-mode microcavity Raman lasers,”Proceedings of the National Academy of Sciences 111(41),14657-14662,2014.)，MZI干涉仪(文献3，B.J.Luff,J.S.Wilkinson,J.Piehler,U.Hollenbach,J.Ingenhoff,and N.Fabricius,“Integrated optical Mach-Zehnder biosensor,”J.Lightwave Technol.16(4),583-592,1998.)，环谐振器(RR)(文献4，C.Smith,R.Shankar,M.Laderer,M.Frish,M.Loncar,and M.Allen,“Sensing nitrous oxide with QCL-coupled silicon-on-sapphire ring resonators,”Opt.Express 23(5),5491-5499,2015)和光子晶体(文献5，M.Loncar,A.Scherer,and Y.Qiu,“Photonic crystal cavity laser sources for chemical detection,”Appl.Phys.Lett.82,4648-4651,2003.)。特别是基于光子晶体的光学传感器由于其紧凑的尺寸、高可积性与在光子集成电路(PIC)中的高集成性，在集成传感器阵列器件的高度并行复用传感检测和集成应用程序方面具有显著优势。例如，Mandal等人展示了一种基于一维光子晶体微腔侧耦合的硅波导位于带状波导旁边的纳米光电流体传感器阵列(文献6，S.Mandal and D.Erickson,“Nanoscale optofluidic sensor arrays,”Opt.Express 16(3),1623-1631,2008.)。Pal等展示了一种基于串联连接的光子晶体微腔传感器单元的(文献7，S.Pal,E.Guillermain,R.Sriram,B.Miller,and P.Fauchet,“Silicon Photonic Crystal Nanocavity-Coupled Waveguides for Error-Corrected Optical Biosensing,”Biosens Bioelectron.26(10),4024-4031,2011.)光学生物传感器阵列。D.Yang等人证明了基于串联的H0微腔侧耦合到二维光子晶体波导的二维(2D)光子晶体集成传感器阵列(文献8，D.Yang,H.Tian,and Y.
Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates using side-coupled resonant cavity arrays,”Opt.Express 19,20023-20 034,2011.文献9，D.Yang,H.Tian and Y.Ji,“Nanoscale Low Crosstalk Photonic Crystal Integrated Sensor Array,”IEEE Photonics Journal 6,1-7,2014.)。然而，这些大多数的集成传感器阵列是基于二维光子晶体，不适合高密度集成。并且，上述多通道2D PC-ISAs的所有传感器单元不能被单输入单输出的光纤同时检测到，将导致设备校准困难且成本昂贵。
技术实现思路
为了克服上述缺点和局限性，同时由于一维光子晶体纳米梁微腔在光波导及电路中超高的紧凑性和可集成性，使其在集成芯片领域表现出了巨大的优势，与二维光子晶体微腔传感相比，一维光子晶体纳米梁微腔的性能参数(FOM)提高了至少一个数量级。本专利技术提出了一种新型的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，具有很好的扩展性，本专利技术的阵列模型可以推广到1×N阵列，包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经N×1的S型功率合成器合成一束光波输出。本专利技术有如下优点：1.本专利技术结构设计紧凑，解调简单，实际制作简单，同类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，传感器结构的优化设计相对比较复杂，而且对于维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.本专利技术可以保留用于实现传感的光子晶体纳米束微腔的特定的基本模式，而滤去其它高阶模式，提高其精确度；3.串联的一维光子晶体纳米束带隙滤波器对一维光子晶体纳米束微腔传感器的性能没有影响，例如Q值，谐振峰位置，灵敏度等。4.可扩展性好，阵列模型可以推广到1×N阵列的情况。5.该阵列结构的设计提高了一维光子晶体纳米梁微腔传感器阵列的复用能力和高度并行性能。另外，它还可以拓宽基于一维光子晶体纳米梁微腔的光子集成器件和集成光学电路(IOC)的密集集成性能。6.本专利技术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。附图说明图1是本专利技术提供的基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列的结构示意图。图2中从上到下四个图分别为三个传感分支的透射谱图和传感阵列的透射谱图。图3为S2在不同折射率(R11、R12、R13)，S1、S3在R13折射率下的透射谱图。图4是微腔传感器的三条传感分支的波长随折射率的变化曲线，斜率即传感器的灵敏度。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于：包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经N×1的S型功率合成器合成一束光波输出。
【技术特征摘要】
1.一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于：包括1×N的等功率分束器、N×1的S型功率合成器、一维光子晶体纳米梁带隙滤波器和一维光子晶体纳米梁微腔传感器；当一束光从单输入单输出光纤系统的入射口射入时被功率分束器分成等功率的N条光路，分别经过一维光子晶体纳米梁带隙滤波器的N条传感分支和一维光子晶体纳米梁微腔传感器的N条传感分支后，经N×1的S型功率合成器合成一束光波输出。2.根据权利要求1所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于：所述传感分支采用的波导的介质是硅，背景介质是空气，其中硅波导的厚度为220nm，纳米梁宽度Wnb＝700nm，硅的折射率NSi＝3.46，空气的折射率Nair＝1.0。3.根据权利要求1所述的一种基于多束并行的一维光子晶体纳米梁微腔集成传感阵列，其特征在于：一维光子晶体纳米梁带隙滤波器，每条传感分支上，硅波导的宽度w＝70nm，厚度h＝220nm，耦合进硅波导中的空气孔A的数目M为偶数，且所有空气孔A半径相同均为r1＝90nm，相邻两个空气孔A中心之间的距离相等。...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨大全，杨玉洁，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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