基于光子晶体平板支持的准连续体束缚态的磁场传感器的制作方法

1.本发明涉及一种基于光子晶体平板支持的准连续体束缚态的磁场传感器，其特点是传感性能优良，属于光子晶体传感器技术领域。


背景技术：

2.磁场强度的检测在航空航天、电力传输、医疗检测以及导航系统等领域应用广泛(文献1：han du,guangya zhou,yunshan zhao,guoqiang chen and fook siong chau.“magnetic field sensor based on coupled photonic crystal nanobeam cavities”,applied physics letters 110(6),061110(2017)；文献2：james lenz and alan s.edelstein.“magnetic sensors and their applications”,ieee sensors journal 6(3),631-649(2006).)。基于光子晶体平板的磁场传感器相比其他光学磁场传感器，具有结构紧凑、光场局域能力强以及性能稳定等优势，已经引起研究者极大关注(文献3：daohan ge,hui chen,pengfei jin,liqiang zhang,wei li and jiwei jiao.“magnetic field sensor based on evanescent wave coupling effect of photonic crystal slab microcavity”,journal of magnetism and magnetic materials 527,167696(2021)；文献4：khadidja saker,touraya bouchemat,mahieddine lahoubi,mohamed bouchemat1 and shengli pu.“magnetic field sensor based on a magnetic-fluid-infiltrated photonic crystal l4 nanocavity and broadband w1 waveguide”,journal of computational electronics 18(2),619-627(2019)；文献5：rachid deghdak,mohamed bouchemat,mahieddine lahoubi,shengli pu,touraya bouchemat and hamza otmani.“sensitive magnetic field sensor using 2d magnetic photonic crystal slab waveguide based on big/ggg structure”,journal of computational electronics 16(2),392-400(2017)；文献6：delong su,shengli pu,lianmin mao,zhaofang wang and kai qian.“a photonic crystal magnetic field sensor using a shoulder-coupled resonant cavity infiltrated with magnetic fluid”,sensors 16(12),2157(2016).)。但现有光子晶体平板磁场传感器存在无法同时实现高品质因子和高灵敏度的问题。准连续体束缚态模式具有高品质因子的独特优势，通过微弱打破微腔的对称性可以产生具有高品质因子的对称保护型准连续体束缚态(文献7：sam neale and egor a.muljarov.“accidental and symmetry-protected bound states in the continuum in a photonic-crystal slab:a resonant-state expansion study”,physical review b 103(15),155112(2021)；文献8：yulin wang,zhanghua han,yong du and jianyuan qin.“ultrasensitive terahertz sensing with high-q toroidal dipole resonance governed by bound states in the continuum in all-dielectric metasurface”,nanophotonics 10(4),1295-1307(2021).)。
3.因此，为了同时实现高品质因子和高灵敏度，我们将打破对称结构的光子晶体平板与磁流薄膜结合，通过垂直入射方式激发高品质因子的准连续体束缚态模式，品质因子
高达2
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104。采用较大尺寸的纳米孔阵列，有利于增强光与物质的相互作用，从而增强磁场传感器的灵敏度，磁场传感器的灵敏度高达88nm/t。


技术实现要素：

4.本发明将打破对称结构的光子晶体平板与磁流薄膜结合，光源垂直入射后激发出准连续体束缚态用于磁场传感，同时实现高品质因子和高灵敏度，提出了一种基于光子晶体平板支持的准连续体束缚态的磁场传感器。
5.1.本发明的具体内容
6.对于光子晶体磁场传感器的传感特性来说，同时保持高品质因子和高灵敏度是实现高精度磁场传感的重要条件。
7.(1)本发明提出将硅基光子晶体平板与磁流薄膜相结合，如图1所示，微弱打破方形纳米孔的结构对称性，通过光的垂直入射，产生具有高品质因子的对称保护型准准连续体束缚态模式，其光场主要分布在纳米孔区域以及光子晶体平板表面，周围磁场强度的变化会改变磁流薄膜的折射率，而薄膜折射率的变化会引起准连续体束缚态谐振波长的偏移，所以通过光谱仪测量谐振波长的偏移可计算出周围磁场强度的变化，实现磁场传感。
8.(2)光子晶体平板厚度t2＝150nm，二氧化硅衬底厚度为t3＝2000nm，纳米孔是以方形孔为基础，方形孔的边长为l1＝l2＝800nm，纳米孔阵列的晶格常数为a
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＝ay＝1000nm。采用较大尺寸的纳米孔阵列，增大了光与磁流薄膜的反应区域，使得传感器在实现高品质因子条件下，磁场传感灵敏度得到显著增强。方形纳米孔的顶部左右对称性被破坏，顶部左侧引入了矩形缺陷，矩形缺陷的尺寸为400nm
×
10nm。磁流薄膜的厚度为t1＝400nm，既保证了较高的灵敏度，又避免增加入射光的吸收损耗。
9.2.本发明的优点如下：
10.(1)本发明采用光源垂直入射的方式，与采用端面耦合方式光子晶体磁场传感器相比，耦合更加简单。
11.(2)本发明与其他光子晶体传感器相比同时实现了高灵敏度和高品质因子，传感性能得到显著增强。
12.(3)本发明谐振幅度高达0.97，可以有效抵抗环境噪声干扰，适用于复杂环境下实现高精度磁场传感。
13.(4)本发明采用非悬浮结构，制备难度低且结构稳定。
14.3.本发明的原理如下：
15.(1)连续体束缚态理论上具有无限高的品质因子，打破结构的对称性可以激发出高品质因子的对称保护型准连续体束缚态。
16.(2)光源垂直入射激发出准连续体束缚态，其电场主要分布在纳米孔区域和光子晶体板表面，由于光场局域性能很好，适合与磁流薄膜结合进行磁场传感。
17.(3)光子晶体平板覆盖磁流薄膜后，磁场变化会改变磁流薄膜折射率，而磁流薄膜折射率的变化会使准连续体束缚态的谐振波长发生偏移，因此测量谐振波长偏移即可计算出周围环境磁场强度变化。
附图说明
18.图1(a)是基于光子晶体平板支持的准连续体束缚态的磁场传感器原理图。从上至下依次为磁流薄膜、硅基光子晶体平板和二氧化硅衬底。图1(b)是单个非对称纳米孔俯视图。其中晶格常数为a
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＝ay＝1000nm，方形纳米孔尺寸为l1＝l2＝800nm，纳米孔顶部左侧引入的矩形缺陷结构参数为l3＝10nm，l4＝400nm。
19.图2(a)是利用fdtd方法计算得到的对称结构透射谱。图2(b)是利用fdtd方法计算得到的非对称结构透射谱，在1558.15nm处出现了准连续体束缚态模式。
20.图3(a)是谐振波长为1558.15nm处x-y面(z＝0)的电场分布图。图3(b)是谐振波长为1558.15nm处x-z面(y＝0)的电场分布图。
21.图4是磁流薄膜厚度与磁场传感器灵敏度关系图，磁场灵敏度随着磁流薄膜厚度的增加而变大，但是增长趋势在厚度超过400nm后趋于饱和。
22.图5(a)是不同磁场强度对应的透射谱，磁场强度分别为0.005t，0.01t，0.015t和0.02t。图5(b)是谐振波长与磁场强度的拟合图，拟合直线的斜率即为磁场灵敏度。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对发明的具体结构、原理以及传感特性作进一步说明。
24.本发明提出将光子晶体平板与磁流薄膜结合，通过微弱打破纳米孔的结构对称性，光源垂直入射激发出对称保护型准连续体束缚态，磁场传感器的示意图如图1(a)所示，衬底为二氧化硅，磁流薄膜、光子晶体平板和衬底的厚度依次为400nm，150nm和2000nm。当周围磁场强度发生变化时，磁流薄膜的折射率也改变，进而影响透射谱中准连续体束缚态谐振波长的偏移，通过检测波长偏移即可测出周围磁场强度。图1(b)是光子晶体平板晶胞示意图，晶格常数a
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＝ay＝1000nm，纳米孔以正方形为基础，在方形孔顶部左侧引入矩形缺陷以破坏其对称性，经过结构优化，最终确定各边长为l1＝l2＝800nm，l3＝10nm，l4＝400nm。
25.为了验证激发的模式为准连续体束缚态模式，图2对比了利用fdtd计算方法得到的对称结构和非对称结构透射谱，可以明显看出，结构对称性被打破后，1558.15nm处出现了透射峰，且两个透射谱除了谐振峰外基本相同，可以证明所激发的模式为对称保护型准连续体束缚态，该模式的品质因子高达2
×
104。
26.下面进一步研究准连续体束缚态模式的电场分布。图3展示了谐振波长1558.15nm处的x-y平面(z＝0)和x-z平面(y＝0)的电场分布图。准连续体束缚态模式的电场大部分主要分布在纳米孔区域，有助于光与磁流薄膜相互作用，增强传感器灵敏度。
27.磁流薄膜厚度是影响传感器灵敏度的重要指标，图4是磁流薄膜厚度与传感器灵敏度的关系图，随着磁流薄膜厚度的增加，传感器灵敏度也在逐渐增大，这是因为准连续体束缚态模式的电场除了分布在纳米孔区域，在光子晶体板的表面也有分布，所以磁流薄膜厚度的增加有利于提升灵敏度，但是灵敏度的增长速度在磁流薄膜厚度超过400nm后变得非常缓慢，这是因为距离光子晶体平板表面超过400nm后，准连续体束缚态的电场分布较少，厚度的增加对灵敏度提升的贡献随之减少。因此最终选择400nm作为磁流薄膜的厚度，没有选择更大数值的原因是过厚的磁流薄膜会产生较大的吸收损耗，导致光的透射率降
低，不利于抵抗环境噪声。
28.最后对磁场传感器的灵敏度进行分析。图5(a)为不同磁场强度对应的透射谱，磁场强度增大时，准连续体束缚态的谐振峰发生红移。图5(b)是谐振波长与磁场强度的拟合图，可以看出两者的线性度非常好，利于磁场传感。拟合直线的斜率即为灵敏度，经过计算，磁场传感器的灵敏度高达88nm/t。