基于圆孔光栅辅助微环谐振器的折射率传感研究.pdf
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1、Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用传感器技术与应用,2023,11(3),263-269 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jsta https:/doi.org/10.12677/jsta.2023.113029 文章引用文章引用:杨天祺,顾宏,吴璇,吴泓达.基于圆孔光栅辅助微环谐振器的折射率传感研究J.传感器技术与应用,2023,11(3):263-269.DOI:10.12677/jsta.2023.113029 基于圆孔
2、光栅辅助微环谐振器的基于圆孔光栅辅助微环谐振器的 折射率传感研究折射率传感研究 杨天祺杨天祺,顾顾 宏宏*,吴吴 璇璇,吴泓达吴泓达 天津工业大学物理科学与技术学院,天津 收稿日期:2023年4月17日;录用日期:2023年5月17日;发布日期:2023年5月25日 摘摘 要要 为了提高微环折射率传感器的灵敏度和品质因子为了提高微环折射率传感器的灵敏度和品质因子,本文本文提出一种提出一种基于圆孔光栅辅助的微环谐振器基于圆孔光栅辅助的微环谐振器。在该在该结构中结构中由于同一种状态的光模式在不同的光路中产生模式劈裂由于同一种状态的光模式在不同的光路中产生模式劈裂而而形成形成Fano共振共振现象现象
3、,Fano共振的共振的非对称非对称线型线型光谱光谱结构能够获得更高的消光比和品质因子结构能够获得更高的消光比和品质因子,可以使该器件在进行折射率传感时对外界环境变化有可以使该器件在进行折射率传感时对外界环境变化有非常好的响应非常好的响应。采用。采用有限元有限元法对结构进行法对结构进行设计设计和模拟仿真。和模拟仿真。仿真结果显示仿真结果显示,所提结构的品质因子达到所提结构的品质因子达到58,300,比传统微环谐振器提高比传统微环谐振器提高7倍以上倍以上。关键词关键词 硅基硅基,集成光学集成光学,微环谐振器微环谐振器,圆孔光栅圆孔光栅,折射率传感折射率传感 Research on Refracti
4、ve Index Sensing Based on Circular Hole Grating Assisted Micro Ring Resonator Tianqi Yang,Hong Gu*,Xuan Wu,Hongda Wu School of Physical Science and Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin Received:Apr.17th,2023;accepted:May 17th,2023;published:May 25th,2023 Abstract In order to improve the
5、 sensitivity and quality factor of the micro ring refractive index sensor,this paper proposes a micro ring resonator based on circular hole grating.In this structure,Fano re-*通讯作者。杨天祺 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113029 264 传感器技术与应用 sonance phenomenon is formed due to the mode splitting of light modes i
6、n different light paths in the same state.The asymmetric linear spectral structure of Fano resonance can obtain higher ex-tinction ratio and quality factor,which can make the device have a very good response to the ex-ternal environment changes when conducting refractive index sensing.Design and sim
7、ulate the structure using finite element method.According to the simulation results,the quality factor of the proposed structure reaches 58,300,which is more than 7 times higher than that of the traditional micro ring resonator.Keywords Silicon Based,Integrated Optics,Micro Ring Resonator,Circular H
8、ole Grating,Refractive Index Sensing Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着 CMOS 工艺越来越成熟,硅光子学已经成为最具潜力的光学研究平台之一。微环谐振器作为硅基集成光电子器件的关键部分,具有集成度高、结构
9、紧凑、损耗低、扰动小、响应速度快等优点,可以构建成各种光波导器件,因此受到了国内外研究人员的广泛关注,促进了光电子行业的迅速发展 1 2。各研究课题组在设计高品质因子、低损耗的微环谐振腔方面做出了很大的贡献。近年来,科研人员基于 SOI 技术研制出了很多光学传感元器件,例如马赫曾德尔干涉仪传感器、亚波长光栅传感器、表面等离子体光纤位移传感器、微环谐振器以及微盘谐振器等。由于微纳布拉格光栅其特殊的物理结构,可以使波导传输的光与外界环境产生强烈的作用,使微环元件具有高灵敏度的特性。传感器的原理是改变外部环境折射率后,光波导器件的有效折射率也会跟着改变,引起谐振波长的飘动。周围环境的折射率是传感器计
10、算中一个非常关键的参数,折射率传感器的作用是通过折射率来检测周围环境的变化,可以反映出被检测的物质的折射率改变的精度和范围,因此高品质因子高灵敏度的微环谐振器常用在各个传感领域当中 3 4 5。在各个硅基波导元器件中,微环谐振器的结构体积小易集成,非常适合用来做高灵敏度折射率传感器。以提高微环谐振器的品质因子和灵敏度为出发点,借鉴亚波长光栅微环谐振腔的结构,本文提出了一种基于圆孔光栅辅助的微环谐振器,我们把光栅加在微环和直波导上,把微环和直波导变成两个腔之间的耦合,可以选择性的让一到两种模式通过,其他模式则无法通过,这样的话能量很集中,信号很明显,灵敏度也就会很高。2.基本原理基本原理 2.1
11、.理论分析理论分析 光子晶体简介:光子晶体是指由两种或者两种或以上不同折射率的介质进行周期性排列构成的人造晶体,它可以分为一维,二维及三维光子晶体。光子晶体具有周期性的电介质结构。晶体内部的原子是周期性有序排列的,由于这种周期性介质的存在,使得电子的运动受到周期性的布拉格散射,形成能带结构,能带与能带之间存在间隙。当电场的能量落在带隙中,就无法继续传播。在某种特定的晶格常数和介电常数比的条件下,光子晶体的能带隙可以使某些频率的电磁波完全不能透过,我们将此频率区域Open AccessOpen Access杨天祺 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113029 265 传感器技术
12、与应用 称光子禁带。相反,可以透过的电磁波的频率区域我们称之为光子导带。微环谐振机制为当光在微环中传输时,绕微环传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的光能产生谐振而加强,即满足:2cRnm=式中:R 为微环的谐振半径,为真空波长,m 为谐振级数(从 1 开始的整数),nc表示模的有效折射率。自由光谱范围:两个相邻谐振模式之间的波长或者频率之间的间隔之差称为自由光谱范围(FSR)。表达式如下:2gFSRn L=品质因子,又称 Q 值,表征微环谐振腔的储能能力,定义为谐振器内部储存的能量与光在谐振腔内传输一周损耗的能量的比值,是决定环腔性能的关键参数,对设计微环谐振器有重要的意义 6 7。公式如
13、下:FWHMQ=其中,FWHM代表线宽,也就是半高全宽,即取在谐振峰最高处的一半位置的波长宽度大小。传统的直通微环谐振器的结构模型如图 1 所示,直通光波导谐振腔是最基本的光学谐振腔结构,由一个环形谐振腔和一根直波导构成。光源的光从输入端进入光波导谐振腔内,经过耦合区域后,一部分光耦合进入谐振腔内绕环传输,每次经过耦合区域时都会有一部分光耦合出直波导进入到输出端。假设输入光场为 Ein,输出光场为 Eout,谐振腔内耦合区域前后的光场分别为 E1和 E2,耦合区域的耦合系数和透射系数分别为 k 和 t,k 与 t 满足 k2+t2=l。Figure 1.Analysis model of st
14、raight-through micro ring resonator 图图 1.直通型微环谐振器分析模型 2.2.结构设计结构设计 如图 2 所示,基于片上硅基光波导器件结构,本文提出的结构是有一根直波导和回音壁微环所组成,杨天祺 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113029 266 传感器技术与应用 并在微环和直波导上加入了呈周期性排列的空气孔作为光栅。在直波导左侧端口导入光,加入了空气孔的微环的波导结构可以将大部分光限制在小孔中,孔状光栅会反射一小部分的光,同时让剩余的光通过到右侧端口。通过分析硅材料的弯曲损耗,采用环形波导的半径 r 为 7 m,波导宽度 w0为 1
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