可用于設(shè)計(jì)光子傳感器的梯度折射率PhCR結(jié)構(gòu)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，印度Jaypee信息技術(shù)學(xué)院（Jaypee Institute of Information Technology）和沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Exponentially index modulated nanophotonic resonator for high-performance sensing applications”的論文，首次提出了一種具有指數(shù)梯度折射率分布的新型光子晶體諧振器（PhCR）結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)和改變光的色散特性，其靈敏度比常規(guī)的階梯折射率PhCR高825%。本文提出的梯度折射率PhCR結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)各種高靈敏度的有效控制和操縱光的光子傳感器。

圖1 論文提出的PhCR結(jié)構(gòu)示意圖：（a）階梯折射率光子晶體諧振器及（b）相應(yīng)的折射率變化；（c）指數(shù)梯度折射率多層諧振器結(jié)構(gòu)及（d）相應(yīng)的折射率變化。

近年來，具有穩(wěn)定和快速響應(yīng)以及低水平無標(biāo)記檢測(cè)能力的生物光子傳感器的開發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。雖然常規(guī)分析方法的準(zhǔn)確度和精密度非常高，但它們非常昂貴并且需要消耗大量分析物。由于周期性光子晶體（PhC）諧振納米結(jié)構(gòu)具有增加的比表面積、微小的光衰減、易于生產(chǎn)和表征的優(yōu)點(diǎn)，最近引起了研究界的廣泛關(guān)注。

在過去幾年中，一維（1D）PhC諧振器件在一系列傳感應(yīng)用中的需求顯著增加，包括液體傳感、氣體傳感和生物醫(yī)學(xué)診斷等。大多數(shù)PhC傳感器根據(jù)分析物折射率的變化來評(píng)估透射率、反射率、帶隙和模式分布等各種光學(xué)特性。

這些結(jié)構(gòu)是由兩種或多種具有不同折射率的材料以重復(fù)模式排列而成的。在傳統(tǒng)的PhC諧振器結(jié)構(gòu)中，人們通常通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得期望的諧振波長(zhǎng)，并且通過優(yōu)化缺陷層寬度以提高靈敏度。然而，考慮到梯度折射率（GRI）分布，研究人員可以獲得額外的設(shè)計(jì)自由度，這有助于進(jìn)一步提高器件的性能。

研究人員通過調(diào)制晶格常數(shù)、光學(xué)長(zhǎng)度和填充因子等結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，設(shè)計(jì)了梯度PhC器件。梯度分布可以被擴(kuò)展以控制和操縱納米光子學(xué)器件內(nèi)的光傳播。這減少了基于界面的損耗，并提供了一種開發(fā)梯度1D-PhC結(jié)構(gòu)的有效方法，該結(jié)構(gòu)具有比常規(guī)1D-PhC結(jié)構(gòu)更高的性能特性。光學(xué)長(zhǎng)度可以通過沿層寬逐漸改變折射率分布來調(diào)制。

Centeno等人提出了第一種具有晶格常數(shù)調(diào)制的梯度PhC結(jié)構(gòu)。后來，人們研究了它的多種用途，包括耦合器、光學(xué)透鏡、模式轉(zhuǎn)換器和光多路復(fù)用器等。光學(xué)長(zhǎng)度調(diào)制梯度PhC結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用包括超彎曲、超準(zhǔn)直、高效耦合器、超透鏡、光束孔徑調(diào)節(jié)器和偏轉(zhuǎn)器等。

折射率調(diào)制是研究PhC結(jié)構(gòu)帶隙特性的另一種被廣泛探索的方法。最近在2023年初，Savotchenko考慮了基于拋物線和線性折射率分布的結(jié)構(gòu)來研究新型表面波傳播，并描述了其波導(dǎo)特性。基于折射率調(diào)制的1D-PhC設(shè)計(jì)被廣泛探索以研究帶隙特性。

Rauh等人利用線性梯度折射率構(gòu)型研究了1D-PhC結(jié)構(gòu)的光學(xué)透過率特性?；?D-PhC結(jié)構(gòu)的其他梯度折射率構(gòu)型（如指數(shù)型、對(duì)數(shù)型和雙曲型）的帶隙特性也已被探索。然而，關(guān)于用于傳感應(yīng)用的基于指數(shù)梯度折射率的PhC諧振器構(gòu)型的研究工作還未見報(bào)道。

在本文中，作者們首次提出了一種具有指數(shù)梯度折射率分布的新型光子晶體諧振器結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)和改變光的色散特性。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括由硅和多孔硅制成的多孔雙層1D-PhC結(jié)構(gòu)，其中高折射率層的折射率沿其寬度呈指數(shù)調(diào)制?？紫堵实囊胧沟迷谙嗤牧蟽?nèi)實(shí)現(xiàn)非常大的折射率對(duì)比成為可能，這使得界面引起的損耗基本上達(dá)到最小。

它可以更容易地調(diào)整模式色散特性，并在用戶指定的任何波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性。此外，它還能使分析物滲透的傳感應(yīng)用更簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后，器件的諧振波長(zhǎng)為1550 nm。

對(duì)于階梯折射率與梯度折射率PhC腔結(jié)構(gòu)，他們研究了入射角、缺陷層厚度和分析物滲透等各種參數(shù)對(duì)器件性能的影響。最后，他們將所提出結(jié)構(gòu)的傳感能力與常規(guī)的基于階梯折射率的器件進(jìn)行了比較。所提出的結(jié)構(gòu)對(duì)階梯折射率和指數(shù)梯度折射率結(jié)構(gòu)的平均靈敏度分別為54.16 nm/RIU和500.12 nm/RIU。這表明產(chǎn)生了一種較低能量的諧振模式，其靈敏度比常規(guī)的PhCR高825%。此外，梯度折射率PhCR結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比常規(guī)PhCR結(jié)構(gòu)高45%的場(chǎng)限制。

圖2 階梯折射率和梯度折射率結(jié)構(gòu)在不同入射角和缺陷層厚度D?=?Dh時(shí)的靈敏度對(duì)比。

圖3（a）入射角為20°和（b）40°時(shí)，階梯折射率和梯度折射率結(jié)構(gòu)在不同缺陷層厚度下的靈敏度對(duì)比。

綜上所述，針對(duì)光子傳感應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)研究了指數(shù)梯度折射率光子晶體諧振器結(jié)構(gòu)的“Substrate/[GB]?/C/[GB]?/air”構(gòu)型。為了獲得最佳結(jié)果，他們優(yōu)化了層數(shù)、缺陷層厚度、梯度分布、入射角和孔隙率值等結(jié)構(gòu)因素。腔厚度為Dh時(shí)，提出的梯度折射率PhCR在垂直入射時(shí)的靈敏度比常規(guī)的階梯折射率PhCR高825%。

此外，在入射角為40°、腔厚度為3Dh的指數(shù)梯度折射率設(shè)計(jì)下，靈敏度可提高到1000 nm/RIU。器件所獲得的靈敏度足夠高，可以識(shí)別濃度非常低的分析物。因此，本文提出的梯度折射率PhCR結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)各種高靈敏度的有效控制和操縱光的光子傳感器。

審核編輯：劉清