一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构文档格式.docx
- 文档编号:15395046
- 上传时间:2022-10-30
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:43.43KB
一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构文档格式.docx
《一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种新型的二维光子晶体与光纤微纳集成结构文档格式.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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,DiFalco,A.,L.O’Faolain,andT.F.Krauss.Chemicalsensinginslottedphotoniccrystalheterostructurecavities.Appliedphysicsletters94.6(2009)063503)、压力感知传感器(文献2,YangYi,DaquanYang,HuipingTian,andYuefengJi.Photoniccrystalstresssensorwithhighsensitivityindoubledirectionsbasedonshoulder-coupledaslantnanocavity,SensorsandActuatorsA:
Physical193(2013)149-154)、湿度传感器(文献3,Shi,Jinjie,VincentKSHsiao,ThomasR.Walker,andTonyJunHuang.Humiditysensingbasedonnanoporouspolymericphotoniccrystals,SensorsandActuatorsB:
Chemical129,no.1(2008)391-396)、折射率传感器(文献4,D.FDorfner,T.Hü
rlimann,T.Zabel,L.H.Frandsen,G.Abstreiter,andJ.J.Finley.Siliconphotoniccrystalnanostructuresforrefractiveindexsensing,AppliedPhysicsLetters,93,181103(2008))、微位移感知传感器(文献5,DaquanYang,HuipingTian,andYuefengJi.Microdisplacementsensorbasedonhigh-Qnanocavityinslotphotoniccrystal,OpticalEngineering,50(5),054402,(2011))、温度传感器(文献6,H.Lu,M.P.Bernal.Integratedtemperaturesensorbasedonanenhancedpyroelectricphotoniccrystal.Opticsexpress,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,photonicsbandgap)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,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(Guidedmode)与光子晶体结构垂直方向上的辐射模式(Radiationmode))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,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:
FocusedIonbeam)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λ0,并根据TM光的能带图确定TM光在频率λ0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TEBranch和TMBranch之间的耦合作用,在经过耦合长度L之后,TM光的能量大部分进入TMBranch从PortC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TEBranch从PortB输出,从而实现偏振分束功能。
为了利用分束之后的TE光,在PortB之后加入弯曲波导结构,通过调
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 新型 二维 光子 晶体 纤微 集成 结构
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)