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        太赫茲波段光子晶體溫度傳感器的研究

        2019-04-26 01:43:16陳之廈梁斌明莊松林
        光學(xué)儀器 2019年1期

        陳之廈,梁斌明,莊松林

        (上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

        引 言

        太赫茲波包含了頻率為0.1~10 THz的電磁波,介于毫米波和紅外線之間。相比其他頻段的電磁波,太赫茲波具有許多優(yōu)越的性質(zhì),如太赫茲波具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率,可以穿透大部分干燥的非金屬和非極性物質(zhì)[1-2],這使得它在測(cè)量、通信、雷達(dá)、材料分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5],是近年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

        光子晶體是一種由不同介電常數(shù)材料周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)材料。類似于半導(dǎo)體,由于多重Bragg散射,在光子晶體中出現(xiàn)禁止某些特定波長(zhǎng)的光波傳播的能帶,即光子帶隙[6]。人們對(duì)光子晶體的研究通常是考慮它對(duì)光波的反射和透射[7-9],很少研究它對(duì)光波的吸收。光波吸收器件是指把入射的光波電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式能量的一種器件,它在太陽(yáng)能收集[10]、熱電轉(zhuǎn)換[11]、傳感[12-13]、紅外探測(cè)[14]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)[15]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文利用二維光子晶體對(duì)光波的“捕獲”能力構(gòu)建一種光子晶體吸收器,通過(guò)仿真研究了其反射率和溫度的關(guān)系,并以此設(shè)計(jì)一種較靈敏的寬入射角的光子晶體溫度傳感器。

        1 原理及設(shè)計(jì)

        1.1 晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        頻率落在光子帶隙內(nèi)的電磁波在光子晶體內(nèi)禁止傳播并與其內(nèi)部共振模耦合從而被“捕獲”,然后再被反射出去[16]。利用這一原理,我們將光子晶體的材料換成對(duì)太赫茲波有吸收效應(yīng)的摻雜硅,即可制成對(duì)光子帶隙有吸收效應(yīng)的光子晶體吸收器,所對(duì)應(yīng)的吸收峰為光子晶體吸收峰。光子晶體加上金屬反射鏡形成法布里?珀羅(F?P)諧振腔,從而可產(chǎn)生F?P諧振峰。適當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),使得兩吸收峰各自變寬并靠近,就能得到一個(gè)寬頻吸收器。

        圖1為光子晶體結(jié)構(gòu)三視圖,光子晶體晶格常數(shù) a =500μm ,摻雜硅厚度 h =190μm,空氣槽深度 d =170μm 、半徑 r =195μm,反射鏡的材料為金,鏡面距離光子晶體的距離為S,垂直入射TE模太赫茲波,背景材料為空氣。

        圖1 光子晶體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Photonic crystal structure

        1.2 晶體材料性能的表征

        本文使用摻雜硅作為光子晶體的材料,以便取得更好的吸收效率。在太赫茲波段內(nèi),復(fù)折射率可以被Drude模型表征[17]為

        式中: ε∞=12(因?yàn)榉菂㈦s硅的束縛電子的屏蔽效應(yīng),在仿真頻率范圍內(nèi)可以作為常數(shù));τ是自由載流子的弛豫時(shí)間; ωp是等離子頻率。

        1.3 晶體的熱光效應(yīng)

        在光子晶體工作溫度范圍(0~220 ℃)內(nèi),溫度變化與介質(zhì)折射率間的關(guān)系可表達(dá)為[18]

        2 仿真結(jié)果及討論

        本文使用商業(yè)電磁仿真軟件CST2014進(jìn)行模擬。為了方便測(cè)量,我們選取反射率R=1?T?A來(lái)表征光子晶體的性能和變化,T和R分別是結(jié)構(gòu)的透射率和反射率。金屬鏡面在仿真波段為全反射,因此透射率T為零。圖2分別為不含光子晶體結(jié)構(gòu)的硅板、含光子晶體結(jié)構(gòu)的硅板和帶有鏡面的光子晶體硅板的反射光譜。從圖中可以看到:不帶任何結(jié)構(gòu)的硅板在仿真頻率范圍內(nèi)的反射率約為70%~90%;帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的硅板在0.297~0.315 THz有一個(gè)反射率小于10%的波谷;而帶有鏡面的光子晶體硅板在0.279~0.326 THz有一個(gè)寬頻的小于10%的反射率波谷,這是由光子晶體吸收峰和鏡面?光子晶體所形成的F?P諧振吸收峰共同吸收后產(chǎn)生的結(jié)果。

        圖2 不同硅板的反射光譜Fig. 2 Reflectivity spectra of different slab

        結(jié)合式(1)~(4)得出:溫度每變化20 ℃,反應(yīng)在Drude模型上為n增加0.0128,當(dāng)溫度變化為 0~220 ℃對(duì)應(yīng)n為3.451~3.592。圖3表示的是不含鏡面的光子晶體分別在0、20、40、60、…、200、220 ℃時(shí)的反射曲線,隨著溫度的增大,圖中反射曲線往低頻移動(dòng),當(dāng)溫度從0 ℃變化到220 ℃,曲線大約左移了0.1 THz。圖4表示的是帶有鏡面(鏡面與光子晶體距離S為190 μm)的光子晶體分別在 0、20、40、60、…、200、220 ℃時(shí)的反射曲線,隨著溫度的增大,反射曲線同樣往低頻移動(dòng),當(dāng)溫度從0 ℃變化到220 ℃,曲線大約左移了0.15 THz。盡管左移,帶有鏡面的光子晶體在0.29~0.31 THz依然表現(xiàn)出了穩(wěn)定的接近0的反射率,表示在此波段,光子晶體是一個(gè)良好的太赫茲波吸收器,即是一個(gè)不受溫度影響的寬頻吸收器。另外,除了反射峰的拓寬,增加鏡面以后,隨溫度變化的頻率左移效果也有所增大,這也導(dǎo)致了這個(gè)結(jié)構(gòu)在某一頻率下的反射率差值更加明顯,曲線的反射率最大差值記作ΔR(ΔR表明在此結(jié)構(gòu)參數(shù)下反射率的最大差值,和頻率無(wú)關(guān))。圖3的ΔR在0.325 THz,寬度約為 0.214,圖 4的 ΔR在0.325 THz,寬度約為 0.264,增加鏡面后的ΔR相比未加鏡面的ΔR提升了23.36%。

        圖3 在不同溫度情況下不含鏡面的光子晶體的反射光譜Fig. 3 Reflectivity spectra of photonic-crystal slab at different temperatures

        圖4 在不同溫度情況下帶鏡面(S=190 μm)的光子晶體的反射光譜Fig. 4 Reflectivity spectra of photonic-crystal slab with mirror at different temperatures (S=190 μm)

        為了找到最大的ΔR,我們通過(guò)仿真不同S值繪制出圖5鏡面距離S?反射率最大差值ΔR曲線,可以看到,曲線在S=280 μm時(shí)達(dá)到頂點(diǎn),此時(shí)的ΔR為0.277。為作進(jìn)一步分析,分 別取 S=100、160、220、280、420 μm,在0.325 THz繪制溫度?反射率曲線,如圖6所示。從圖中可以看出,S越接近280 μm,曲線線性度越好,同時(shí)反射率差值也越大,良好的線性度為我們通過(guò)反射率測(cè)量溫度提供了保障。

        圖5 鏡面距離 S?反射率最大差值的曲線Fig. 5 Maximum reflectivity difference curve of the distance

        圖 7是 S=280 μm,F(xiàn)=0.325 THz時(shí)的反射率?溫度曲線,圖中曲線趨勢(shì)分析式為y =776.03x?70.205、線性度為0.9995(越接近1,線性度越好)。利用曲線趨勢(shì)分析式,我們可以根據(jù)測(cè)量得到的反射率推出溫度值,比如,反射率為0.22時(shí),對(duì)應(yīng)溫度值為100 ℃。另外,圖7中的反射率從0.09變化到0.36,有4倍之差,這一特性表明,隨溫度變化的反射率變化十分明顯,所以此結(jié)構(gòu)是一款十分靈敏的溫度傳感器。

        圖6 溫度?反射率曲線Fig. 6 Temperature-reflectivity curve at 0.325 THz

        圖7 S=280 μm,F(xiàn)=0.325 THz 時(shí)的反射率?溫度曲線Fig. 7 Reflectivity-temperature curve when S=280 μm and F=0.325 THz

        以上情況都是垂直入射TE波的結(jié)果,而實(shí)際情況往往需要入射光帶有一定角度以方便測(cè)量或架構(gòu),圖8分別表示入射角為 α=10°、20°、30°、40°和50°時(shí)的溫度?反射率曲線。從圖中可以看到:在入射角小于40°時(shí),光子晶體的反射能力依舊與溫度成線性關(guān)系,且ΔR隨入射角增大的變化不明顯; 在 α=40°時(shí),ΔR依然有0.255;而α=50°時(shí),曲線失去線性規(guī)律。在入射角小于40°時(shí),此結(jié)構(gòu)的溫度?反射率關(guān)系依然呈良好的線性關(guān)系,是一款方便測(cè)量的寬入射角的光子晶體溫度傳感器。

        圖8 入射角 α 分別為 10°、20°、30°、40°、50°時(shí)的溫度?反射率曲線Fig. 8 Temperature-reflectivity curve when α=10°, 20°, 30°, 40° and 50°

        3 結(jié) 論

        利用光子晶體的光子帶隙對(duì)光波的“捕獲”能力,將光子晶體的材料換成對(duì)此波段有吸收效果的摻雜硅來(lái)制成光子晶體吸收器,再加上一層反射鏡,消除透射率的同時(shí)使得光子晶體吸收峰和F?P諧振吸收峰疊加來(lái)強(qiáng)化溫度對(duì)反射率曲線的影響,以此完善光子晶體溫度傳感器。使用CST2014軟件所設(shè)計(jì)的光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究,結(jié)果表明:在0~220 ℃該結(jié)構(gòu)的反射率與溫度變化成線性關(guān)系,并且隨著溫度變化反射率的變化十分明顯,故此結(jié)構(gòu)是一個(gè)靈敏的溫度傳感器;此結(jié)構(gòu)在入射角小于40°時(shí),其溫度與反射率依然為線性關(guān)系,入射角的可調(diào)整范圍大大增加,這一特性使得此光子晶體溫度傳感器在實(shí)際應(yīng)用中有更寬廣的應(yīng)用范圍??傊?,此結(jié)構(gòu)是一款十分靈敏的寬入射角的溫度傳感器。

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