可用于设计光子传感器的梯度折射率PhCR结构

据麦姆斯咨询报道，近日，印度Jaypee信息技术学院（Jaypee Institute of Information Technology）和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Exponentially index modulated nanophotonic resonator for high-performance sensing applications”的论文，首次提出了一种具有指数梯度折射率分布的新型光子晶体谐振器（PhCR）结构来调节和改变光的色散特性，其灵敏度比常规的阶梯折射率PhCR高825%。本文提出的梯度折射率PhCR结构可用于设计各种高灵敏度的有效控制和操纵光的光子传感器。

图1 论文提出的PhCR结构示意图：（a）阶梯折射率光子晶体谐振器及（b）相应的折射率变化；（c）指数梯度折射率多层谐振器结构及（d）相应的折射率变化。

近年来，具有稳定和快速响应以及低水平无标记检测能力的生物光子传感器的开发已成为国内外研究的热点。虽然常规分析方法的准确度和精密度非常高，但它们非常昂贵并且需要消耗大量分析物。由于周期性光子晶体（PhC）谐振纳米结构具有增加的比表面积、微小的光衰减、易于生产和表征的优点，最近引起了研究界的广泛关注。

在过去几年中，一维（1D）PhC谐振器件在一系列传感应用中的需求显著增加，包括液体传感、气体传感和生物医学诊断等。大多数PhC传感器根据分析物折射率的变化来评估透射率、反射率、带隙和模式分布等各种光学特性。

这些结构是由两种或多种具有不同折射率的材料以重复模式排列而成的。在传统的PhC谐振器结构中，人们通常通过优化结构参数以获得期望的谐振波长，并且通过优化缺陷层宽度以提高灵敏度。然而，考虑到梯度折射率（GRI）分布，研究人员可以获得额外的设计自由度，这有助于进一步提高器件的性能。

研究人员通过调制晶格常数、光学长度和填充因子等结构和材料参数，设计了梯度PhC器件。梯度分布可以被扩展以控制和操纵纳米光子学器件内的光传播。这减少了基于界面的损耗，并提供了一种开发梯度1D-PhC结构的有效方法，该结构具有比常规1D-PhC结构更高的性能特性。光学长度可以通过沿层宽逐渐改变折射率分布来调制。

Centeno等人提出了第一种具有晶格常数调制的梯度PhC结构。后来，人们研究了它的多种用途，包括耦合器、光学透镜、模式转换器和光多路复用器等。光学长度调制梯度PhC结构的主要应用包括超弯曲、超准直、高效耦合器、超透镜、光束孔径调节器和偏转器等。

折射率调制是研究PhC结构带隙特性的另一种被广泛探索的方法。最近在2023年初，Savotchenko考虑了基于抛物线和线性折射率分布的结构来研究新型表面波传播，并描述了其波导特性。基于折射率调制的1D-PhC设计被广泛探索以研究带隙特性。

Rauh等人利用线性梯度折射率构型研究了1D-PhC结构的光学透过率特性。基于1D-PhC结构的其他梯度折射率构型（如指数型、对数型和双曲型）的带隙特性也已被探索。然而，关于用于传感应用的基于指数梯度折射率的PhC谐振器构型的研究工作还未见报道。

在本文中，作者们首次提出了一种具有指数梯度折射率分布的新型光子晶体谐振器结构来调节和改变光的色散特性。该结构的设计包括由硅和多孔硅制成的多孔双层1D-PhC结构，其中高折射率层的折射率沿其宽度呈指数调制。孔隙率的引入使得在相同材料内实现非常大的折射率对比成为可能，这使得界面引起的损耗基本上达到最小。

它可以更容易地调整模式色散特性，并在用户指定的任何波长范围内提供设计可扩展性。此外，它还能使分析物渗透的传感应用更简单。结构参数经过优化后，器件的谐振波长为1550 nm。

对于阶梯折射率与梯度折射率PhC腔结构，他们研究了入射角、缺陷层厚度和分析物渗透等各种参数对器件性能的影响。最后，他们将所提出结构的传感能力与常规的基于阶梯折射率的器件进行了比较。所提出的结构对阶梯折射率和指数梯度折射率结构的平均灵敏度分别为54.16 nm/RIU和500.12 nm/RIU。这表明产生了一种较低能量的谐振模式，其灵敏度比常规的PhCR高825%。此外，梯度折射率PhCR结构表现出比常规PhCR结构高45%的场限制。

图2 阶梯折射率和梯度折射率结构在不同入射角和缺陷层厚度D = Dh时的灵敏度对比。

图3（a）入射角为20°和（b）40°时，阶梯折射率和梯度折射率结构在不同缺陷层厚度下的灵敏度对比。

综上所述，针对光子传感应用，团队研究了指数梯度折射率光子晶体谐振器结构的“Substrate/[GB]⁵/C/[GB]⁵/air”构型。为了获得最佳结果，他们优化了层数、缺陷层厚度、梯度分布、入射角和孔隙率值等结构因素。腔厚度为Dh时，提出的梯度折射率PhCR在垂直入射时的灵敏度比常规的阶梯折射率PhCR高825%。

此外，在入射角为40°、腔厚度为3Dh的指数梯度折射率设计下，灵敏度可提高到1000 nm/RIU。器件所获得的灵敏度足够高，可以识别浓度非常低的分析物。因此，本文提出的梯度折射率PhCR结构可用于设计各种高灵敏度的有效控制和操纵光的光子传感器。

审核编辑：刘清