據(jù)麥姆斯咨詢報道,，近日,，印度Jaypee信息技術學院（Jaypee Institute of Information Technology）和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學（King Abdullah University of Science and Technology,，KAUST）的研究人員組成的團隊在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)構可用于設計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)構示意圖：（a）階梯折射率光子晶體諧振器及（b）相應的折射率變化,；（c）指數(shù)梯度折射率多層諧振器結(jié)構及（d）相應的折射率變化,。
近年來，具有穩(wěn)定和快速響應以及低水平無標記檢測能力的生物光子傳感器的開發(fā)已成為國內(nèi)外研究的熱點,。雖然常規(guī)分析方法的準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，最近引起了研究界的廣泛關注,。
在過去幾年中,，一維（1D）PhC諧振器件在一系列傳感應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估透射率、反射率,、帶隙和模式分布等各種光學特性,。
這些結(jié)構是由兩種或多種具有不同折射率的材料以重復模式排列而成的。在傳統(tǒng)的PhC諧振器結(jié)構中,，人們通常通過優(yōu)化結(jié)構參數(shù)以獲得期望的諧振波長,，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計自由度，這有助于進一步提高器件的性能,。
研究人員通過調(diào)制晶格常數(shù),、光學長度和填充因子等結(jié)構和材料參數(shù)，設計了梯度PhC器件,。梯度分布可以被擴展以控制和操縱納米光子學器件內(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)構的有效方法,，該結(jié)構具有比常規(guī)1D-PhC結(jié)構更高的性能特性,。光學長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,。后來,，人們研究了它的多種用途,，包括耦合器、光學透鏡,、模式轉(zhuǎn)換器和光多路復用器等,。光學長度調(diào)制梯度PhC結(jié)構的主要應用包括超彎曲、超準直,、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)構來研究新型表面波傳播,，并描述了其波導特性,。基于折射率調(diào)制的1D-PhC設計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型研究了1D-PhC結(jié)構的光學透過率特性,。基于1D-PhC結(jié)構的其他梯度折射率構型（如指數(shù)型,、對數(shù)型和雙曲型）的帶隙特性也已被探索,。然而，關于用于傳感應用的基于指數(shù)梯度折射率的PhC諧振器構型的研究工作還未見報道,。
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)構來調(diào)節(jié)和改變光的色散特性。該結(jié)構的設計包括由硅和多孔硅制成的多孔雙層1D-PhC結(jié)構,，其中高折射率層的折射率沿其寬度呈指數(shù)調(diào)制,。孔隙率的引入使得在相同材料內(nèi)實現(xiàn)非常大的折射率對比成為可能,，這使得界面引起的損耗基本上達到最小,。
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范圍內(nèi)提供設計可擴展性,。此外,，它還能使分析物滲透的傳感應用更簡單。結(jié)構參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后,，器件的諧振波長為1550 nm,。
對于階梯折射率與梯度折射率PhC腔結(jié)構，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)對器件性能的影響,。最后，他們將所提出結(jié)構的傳感能力與常規(guī)的基于階梯折射率的器件進行了比較。所提出的結(jié)構對階梯折射率和指數(shù)梯度折射率結(jié)構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)構表現(xiàn)出比常規(guī)PhCR結(jié)構高45%的場限制,。
圖2 階梯折射率和梯度折射率結(jié)構在不同入射角和缺陷層厚度D?=?Dh時的靈敏度對比。
圖3（a）入射角為20°和（b）40°時,，階梯折射率和梯度折射率結(jié)構在不同缺陷層厚度下的靈敏度對比。
綜上所述,，針對光子傳感應用,，團隊研究了指數(shù)梯度折射率光子晶體諧振器結(jié)構的“Substrate/[GB]?/C/[GB]?/air”構型。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)構因素,。腔厚度為Dh時，提出的梯度折射率PhCR在垂直入射時的靈敏度比常規(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)梯度折射率設計下,，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)構可用于設計各種高靈敏度的有效控制和操縱光的光子傳感器。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<
