用于同时磁场和温度传感的超高分辨率双缺陷一维光子晶体传感器的设计与优化

《Physica B: Condensed Matter》：Design and optimization of an ultra-high-resolution double-defect 1D photonic crystal sensor for simultaneous magnetic field and temperature sensing

　　

•设计了一种用于双参数传感的双缺陷一维光子晶体。
•腔耦合将共振分裂为对称和反对称模式。
•优化反射镜周期至 N = 5，可获得高达 3.8 × 10^6 的超高品质因数。
•对称模式实现了 21.198 pm/Oe 和 897.76 nm/RIU 的灵敏度。
•可逆矩阵模型解耦了磁场和温度串扰。
•解析 TMM 计算已通过数值 FEM 仿真验证。

**引言**

磁场传感在生物医学诊断、工业自动化、电力系统、导航、环境监测、航空航天工程和智能交通领域日益重要。与传统的霍尔效应、磁通门和磁阻传感器相比，光学磁传感器具有多个优势，如高灵敏度、抗电磁干扰能力、远程询问功能以及在恶劣环境下可靠运行，这使它们成为下一代传感应用的理想选择 [[1], [2], [3], [4]]。

在几种磁光材料中，磁流体（MFs）或铁磁流体因其折射率随磁场和温度变化的特性，作为前景广阔的传感介质引起了广泛关注。磁流体由分散在载液中的表面活性剂包覆磁性纳米颗粒组成。在外部磁场作用下，纳米颗粒沿磁场方向排列，增加了有效折射率，而温度升高会加速布朗运动，削弱颗粒排列并降低折射率。磁流体独特的磁光可调性使其在光调制、可调光子器件和同时双参数传感技术中得到广泛应用 [[5], [6], [7], [8], [9]]。

光子晶体（PhCs）是利用这些特性的理想平台，因为其周期性介电结构提供了光子带隙，能强烈限制缺陷腔内的光。这些局部模式的共振波长对折射率的变化非常敏感，允许进行高精度的光学传感。在各种光子晶体配置中，一维光子晶体（1D PhCs）因其简单的多层结构、紧凑的尺寸、窄共振线宽、低光学损耗和易于制造而受到特别关注。此外，传输矩阵法（TMM）提供了一种精确且计算效率高的技术，用于分析其传输特性和缺陷模式行为 [[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。

在过去十年中，一些基于光子晶体光纤（PCFs）、光子晶体平板和一维光子晶体的磁场传感器被提出。Gao 等人 [1] 展示了使用填充磁流体的 PCF 进行磁光传感，随后开发了具有改进灵敏度的双芯、干涉和游标效应辅助 PCF 方案 [2,3,[16], [17], [18]]。然而，它们的制造需要选择性渗透微孔和复杂的纤维对齐，限制了它们的实际部署。为了克服这一问题，基于硅的一维光子晶体纳米梁腔出现了一个非常有前景的替代方案，因为它们与绝缘体上硅（SOI）波导兼容、易于微流体集成以及具有强光限制能力 [19,20]。这些纳米梁腔提供超窄共振和极高的品质因数，代表了现代光子传感的核心技术路线。

缺陷辅助的一维光子晶体传感器因其简化的制造和强大的传感能力而受到越来越多的关注。Ge 等人 [3] 提出了一种基于磁流体薄膜的一维光子晶体传感器，并使用严格耦合波分析（RCWA）进行分析，磁场灵敏度为 0.817 nm/Oe，优值为 17.439 Oe^-1。最近，Nithya 等人 [4] 展示了一种用于同时在 50–260 Oe 和 300-500 K 范围内进行磁场和温度传感的二进制一维光子晶体传感器，最大磁场灵敏度为 31.2 pm/Oe，优值为 57.884 Oe^-1。然而，这两种传感器都使用单缺陷腔，只能产生一个局部共振，从而限制了光限制、品质因数、传感分辨率和自参考多参数传感。此外，制造公差和独立参数解耦受到的关注较少。

这些挑战激发了目前的工作，提出了一种用于同时监测磁场和温度的对称双缺陷耦合腔一维光子晶体传感器。建议的结构由两个相同的磁流体缺陷腔组成，中间由一层薄的硅耦合层隔开，这产生了具有改进光限制和超窄共振线宽的非对称和对称共振模式。为了便于连续数值分析，将实验报告的磁流体折射率数据表示为磁场和温度的高精度经验多项式函数。光学响应通过采用传输矩阵法（TMM）进行研究，并通过有限元方法（FEM）进行确认，比较了共振特性和电场分布。传感性能由磁场灵敏度、折射率灵敏度、品质因数、优值和检测限来描述。此外，设计了一个自参考灵敏度矩阵，用于独立提取磁场和温度，并将参数串扰降至最低。建议的传感器凭借其简单的架构、超高品质的共振以及强大的双参数传感能力，为高分辨率磁场检测和其他先进光子传感应用提供了潜在平台。

**章节片段**

**理论分析与数学公式化**

为了从理论上调查和验证所提出的填充磁流体的一维光子晶体腔传感器（图 1）的电磁响应，采用了两个独立的计算框架：解析传输矩阵法（TMM）和数值有限元方法（FEM）。两种公式化的数学细节以及磁流体的建模如下所述。

**结果与讨论**

本节详细介绍了所提出的双缺陷一维光子晶体传感器的设计、优化和验证。首先，分析了产生分裂共振峰的结构几何形状和耦合腔传输特性。随后，通过交叉验证解析传输矩阵法（TMM）和数值有限元方法（FEM）来建立模型准确性。在优化布拉格反射镜周期（??）以增强传输和品质（??）因数之后，该

**结论**

总之，设计并优化了一种基于硅/空气反射镜的超高分辨率、双缺陷一维光子晶体传感器，用于同时磁场和温度传感。耦合腔结构在光子带隙内创建了对称和反对称分裂共振模式。通过优化反射镜周期至 N=5，获得了 3.8×10^6 和 3.2×10^6 的品质因数，比传统的单缺陷设计高出几个数量级。

**竞争利益声明**

作者声明，他没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

Vipin Kumar