據麥姆斯咨詢報道，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梯度折射率分布的新型光子晶體諧振器（PhCR）結構來調節和改變光的色散特性，其靈敏度比常規的階梯折射率PhCR高825%。本文提出的梯度折射率PhCR結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）指數梯度折射率多層諧振器結構及（d）相應的折射率變化。

近年來，具有穩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已成為國內外研究的熱點。雖然常規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）諧振納米結構具有增加的比表面積、微小的光衰減、易于生產和表征的優點，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、氣體傳感和生物醫學診斷等。大多數PhC傳感器根據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。在傳統的PhC諧振器結構中，人們通常通過優化結構參數以獲得期望的諧振波長，并且通過優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。

研究人員通過調制晶格常數、光學長度和填充因子等結構和材料參數，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的光傳播。這減少了基于界面的損耗，并提供了一種開發梯度1D-PhC結構的有效方法，該結構具有比常規1D-PhC結構更高的性能特性。光學長度可以通過沿層寬逐漸改變折射率分布來調制。

Centeno等人提出了第一種具有晶格常數調制的梯度PhC結構。后來，人們研究了它的多種用途，包括耦合器、光學透鏡、模式轉換器和光多路復用器等。光學長度調制梯度PhC結構的主要應用包括超彎曲、超準直、高效耦合器、超透鏡、光束孔徑調節器和偏轉器等。

折射率調制是研究PhC結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結構的光學透過率特性。基于1D-PhC結構的其他梯度折射率構型（如指數型、對數型和雙曲型）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梯度折射率分布的新型光子晶體諧振器結構來調節和改變光的色散特性。該結構的設計包括由硅和多孔硅制成的多孔雙層1D-PhC結構，其中高折射率層的折射率沿其寬度呈指數調制。孔隙率的引入使得在相同材料內實現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。

它可以更容易地調整模式色散特性，并在用戶指定的任何波長范圍內提供設計可擴展性。此外，它還能使分析物滲透的傳感應用更簡單。結構參數經過優化后，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對器件性能的影響。最后，他們將所提出結構的傳感能力與常規的基于階梯折射率的器件進行了比較。所提出的結構對階梯折射率和指數梯度折射率結構的平均靈敏度分別為54.16 nm/RIU和500.12 nm/RIU。這表明產生了一種較低能量的諧振模式，其靈敏度比常規的PhCR高825%。此外，梯度折射率PhCR結構表現出比常規PhCR結構高45%的場限制。

圖2 階梯折射率和梯度折射率結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，團隊研究了指數梯度折射率光子晶體諧振器結構的“Substrate/[GB]?/C/[GB]?/air”構型。為了獲得最佳結果，他們優化了層數、缺陷層厚度、梯度分布、入射角和孔隙率值等結構因素。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。

審核編輯：劉清