一種交叉偏振式折射率生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種交叉偏振式折射率生化傳感器。本發(fā)明折射率生化傳感器基于二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，并采用空氣環(huán)作為二維光子晶體的單元結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于二維光子晶體的帶隙效應(yīng)提出了雙偏振交叉比較法來(lái)定義傳感器的工作方式。本發(fā)明大幅提高了對(duì)折射率變化的傳感靈敏度，并具有穩(wěn)定的傳感性能和便利的操作性，能應(yīng)用于生化傳感領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種交叉偏振式折射率生化傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)生化傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種交叉偏振式折射率生化傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，二維光子晶體已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)生化傳感領(lǐng)域。其光子帶隙效應(yīng)和光子局域化效應(yīng)可以極大的增強(qiáng)光與被檢測(cè)物質(zhì)的相互作用，因而有利于提高光學(xué)生化傳感器的探測(cè)極限。與此同時(shí)二維光子晶體生化傳感器具備天然的通道，且制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合未來(lái)光流控芯片的集成。
[0003]另一方面，目前所報(bào)道的二維光子晶體生化傳感器都是在某一種特定偏振方式下進(jìn)行工作的。特別的，絕大部分的二維光子晶體生化傳感器都是空氣孔型陣列結(jié)構(gòu)且在TE偏振(橫電波)方式下進(jìn)行工作。例如文獻(xiàn)一 (M.Huang, A.A.Yanik, T.Y.Chang, andΗ.Altug，Sub—wavelength nanofluidics in photonic crystal sensors, Optics Express2009，17(26)，24224-24233.)和文獻(xiàn)二 (M.A.Dundarj E.C.1.Ryckeboschj R.Notzelj F.Karoutaj L.J.van Ijzendoornj and R.W.van der Heijdenj Sensitivities of InGaAsPphotonic crystal membrane nanocavities to hole refractive index, Optics Express2010，18(5),4049-4056.)所公開的二維光子晶體生化傳感器，其特點(diǎn)是在硅絕緣體(SOI)晶圓上通過刻蝕形成一定晶格類型的空氣孔，利用二維光子晶體的帶隙邊緣隨環(huán)境折射率變化而發(fā)生移動(dòng)來(lái)進(jìn)行折射率傳感。這種二維光子晶體生化傳感器只在TE偏振方式下進(jìn)行工作，且傳感靈敏度較低，普遍在500nm/RIU以下。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種交叉偏振式折射率生化傳感器。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種交叉偏振式折射率生化傳感器，包括基底平板和輸入-輸出端連接波導(dǎo)，輸入-輸出端連接波導(dǎo)位于基底平板的兩側(cè)，基底平板上刻蝕形成空氣環(huán)單元陣列構(gòu)成二維環(huán)形光子晶體，所述空氣環(huán)單元陣列中的空氣環(huán)按照三角晶格形式周期排列，輸入-輸出端連接波導(dǎo)的寬度W為[1.7321a-2R，1.7321a+2R]，其中，a為晶格周期即相鄰兩個(gè)空氣環(huán)中心點(diǎn)之間的距離，r為空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑，R為空氣環(huán)的外圓半徑。
[0006]空氣環(huán)的外圓半徑R取值范圍為[0.45a，0.49a]，空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑r的取值范圍為[0.4R，0.6R]。
[0007]所述基底平板的基底材料為S01、鍺或者砷化鎵。
[0008]所述二維環(huán)形光子晶體對(duì)環(huán)境折射率變化的相對(duì)靈敏度S為:
[0009]S= [l/fTE(n2)-l/fTM(Ii1) ]-[l/fTE (Ii1)-l/fTM(n2)]
[0010]其中TE和TM表示電磁波的兩種偏振方式，TE為橫電波，TM為橫磁波JteamOi1)和fTE/T?(n2)分別表示二維環(huán)形光子晶體的空氣環(huán)中填充折射率分別為Ii1和n2的介質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)的TE/TM偏振波帶隙的上邊緣歸一化頻率。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明通過將傳統(tǒng)的二維光子晶體中的空氣孔單元替換成空氣環(huán)單元，并采用全新的雙偏振交叉法來(lái)進(jìn)行折射率傳感工作，不僅能夠大幅提高傳感器靈敏度，而且具有較好的工作穩(wěn)定性和便利性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明交叉偏振式折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明交叉偏振式折射率傳感器光子帶隙示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明交叉偏振式折射率傳感器的靈敏度隨環(huán)境折射率變化示意圖。
[0015]圖4是本發(fā)明交叉偏振式折射率傳感器的傳感工作示意圖，其中圖(a)為環(huán)境折射率為1.3時(shí)TE偏振波以及環(huán)境折射率為1.4時(shí)TM偏振波的反射譜，圖(b)為環(huán)境折射率為1.3時(shí)TM偏振波以及環(huán)境折射率為1.4時(shí)TE偏振波的反射譜。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明基于二維光子晶體的帶隙效應(yīng)提出了雙偏振交叉比較法來(lái)定義傳感器的工作方式并以二維環(huán)形光子晶體為模型構(gòu)建一種交叉偏振式折射率生化傳感器。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的一種交叉偏振式折射率生化傳感器，包括基底平板I和輸入-輸出端連接波導(dǎo)2，輸入-輸出端連接波導(dǎo)2位于基底平板I的兩側(cè)，基底平板I上刻蝕形成空氣環(huán)單元陣列構(gòu)成二維環(huán)形光子晶體，所述空氣環(huán)單元陣列中的空氣環(huán)按照三角晶格形式周期排列，輸入-輸出端連接波導(dǎo)2的寬度W為[1.7321a-2R, 1.7321a+2R]，其中，a為晶格周期即相鄰兩個(gè)空氣環(huán)中心點(diǎn)之間的距離，r為空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑，R為空氣環(huán)的外圓半徑。
[0018]所述空氣環(huán)的外圓半徑R取值范圍為[0.45a，0.49a]，空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑r的取值范圍為[0.4R，0.6R]。
[0019]所述基底平板I的基底材料為SO1、鍺或者砷化鎵。
[0020]所述二維環(huán)形光子晶體對(duì)環(huán)境折射率變化的相對(duì)靈敏度S為:
[0021]S= [l/fTE(n2)-l/fTM Oi1)]-[1/:^(11)-1/:^(?)]
[0022]其中TE和TM表示電磁波的兩種偏振方式，TE為橫電波，TM為橫磁波；fTE/TM (Ii1)和fTE/T?(n2)分別表示二維環(huán)形光子晶體的空氣環(huán)中填充折射率分別為Ii1和n2的介質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)的TE/TM偏振波帶隙的上邊緣歸一化頻率。
[0023]采用雙偏振交叉法定義二維光子晶體平板I對(duì)環(huán)境折射率變化的相對(duì)靈敏度:S=[l/fTE (n2)_l/fTMOi1) ]-[l/fTE(Ii1)-l/fTM(n2)]。對(duì)該靈敏度公式進(jìn)一步變形可以得到:S=+。由此可以看出采用雙偏振交叉法定義得到的相對(duì)靈敏度實(shí)際上等同于兩種單一偏振方式相對(duì)靈敏度之和。
[0024]實(shí)施例1
[0025]基底材料為SOI，設(shè)定R = 0.47a, r = 0.479R，二維光子晶體平板I在水平和垂直方向上的尺寸分別為21a和16.5885a，輸入-輸出端連接波導(dǎo)2在水平和垂直方向上的尺寸分別為6a和0.8321a。
[0026]實(shí)施例2
[0027]基底材料為鍺，設(shè)定R = 0.46a，r = 0.442R，二維光子晶體平板I在水平和垂直方向上的尺寸分別為21a和16.5885a，輸入-輸出端連接波導(dǎo)2在水平和垂直方向上的尺寸分別為6a和0.8321a。
[0028]實(shí)施例3
[0029]基底材料為砷化鎵，設(shè)定R = 0.45a，r = 0.4R，二維光子晶體平板I在水平和垂直方向上的尺寸分別為21a和16.5885a,輸入-輸出端連接波導(dǎo)2在水平和垂直方向上的尺寸分別為6a和0.8321a。
[0030]實(shí)施例4
[0031]基底材料為SOI，設(shè)定R = 0.49a, r = 0.6R，二維光子晶體平板I在水平和垂直方向上的尺寸分別為21a和16.5885a，輸入-輸出端連接波導(dǎo)2在水平和垂直方向上的尺寸分別為6a和0.8321a。
[0032]本發(fā)明的效果可以通過以下仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明:
[0033]以實(shí)施例1模型為例，通過仿真計(jì)算得到本發(fā)明中二維光子晶體平板I的能帶模式示意圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，本發(fā)明中二維光子晶體平板I同時(shí)存在TE(第一和第二能級(jí)之間)帶隙和TM帶隙(第三和第四能級(jí)之間)。這樣一來(lái)，可采用雙偏振交叉法定義二維光子晶體平板I對(duì)環(huán)境折射率變化的相對(duì)靈敏度:S = [l/fTE(n2)-l/fTM(ni)]-[l/
fXe (rij)—I/fjji (?)]。
[0034]通過進(jìn)一步計(jì)算可以得到交叉偏振相對(duì)靈敏度S隨環(huán)境折射率的變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以看出，本發(fā)明中二維光子晶體平板I可探測(cè)的折射率變化范圍為[1.0, 1.4]，好于普通空氣孔型二維光子晶體平板(即R = 0.47a，r = O)在采用雙偏振交叉法時(shí)的折射率變化范圍[1.0，1.3]。因而本發(fā)明中二維光子晶體平板I可以同時(shí)用于生物液體樣品和化學(xué)氣體樣品的光學(xué)傳感中，是一種交叉偏振式折射率生化傳感器。與此同時(shí)，采用本發(fā)明中二維光子晶體平板I結(jié)構(gòu)時(shí)，利用雙偏振交叉法得到的靈敏度隨環(huán)境折射率變化小，因而工作更加穩(wěn)定。
[0035]設(shè)定晶格周期a為540nm,R = 253.8nm, r = 121.6nm,通過進(jìn)一步仿真計(jì)算得到了本發(fā)明二維光子晶體平板I在環(huán)境折射率分別為1.3和1.4時(shí)的反射譜，如圖4所示。從圖4可以看出，環(huán)境折射率為1.3時(shí)TE偏振波的帶隙上邊緣截止波長(zhǎng)相對(duì)于環(huán)境折射率為
1.4時(shí)TM偏振波的帶隙上邊緣截止波長(zhǎng)移動(dòng)了 458nm,而環(huán)境折射率為1.4時(shí)TE偏振波的帶隙上邊緣截止波長(zhǎng)相對(duì)于環(huán)境折射率為1.3時(shí)TM偏振波的帶隙上邊緣截止波長(zhǎng)移動(dòng)了577nm,因此可以計(jì)算出交叉偏振絕對(duì)靈敏度為1190nm/RIU，大幅提升了二維光子晶體生化傳感器的傳感靈敏度。與此同時(shí)，由于不同偏振波帶隙上邊緣截止波長(zhǎng)的差距十分顯著，因而相對(duì)于單一偏振工作方式，在實(shí)施雙偏振交叉法進(jìn)行傳感工作時(shí)其便捷性得到了大幅提聞。
【權(quán)利要求】
1.一種交叉偏振式折射率生化傳感器，其特征在于，包括基底平板[1]和輸入-輸出端連接波導(dǎo)[2]，輸入-輸出端連接波導(dǎo)[2]位于基底平板[1]的兩側(cè)，基底平板[1]上刻蝕形成空氣環(huán)單元陣列構(gòu)成二維環(huán)形光子晶體，所述空氣環(huán)單元陣列中的空氣環(huán)按照三角晶格形式周期排列，輸入-輸出端連接波導(dǎo)[2]的寬度W為[1.7321a-2R，1.7321a+2R]，其中，a為晶格周期即相鄰兩個(gè)空氣環(huán)中心點(diǎn)之間的距離，r為空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑，R為空氣環(huán)的外圓半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉偏振式折射率生化傳感器，其特征在于，空氣環(huán)的外圓半徑R取值范圍為[0.45a，0.49a]，空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑r的取值范圍為[0.4R，0.6R]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉偏振式折射率生化傳感器，其特征在于，所述基底平板[1]的基底材料為SO1、鍺或者砷化鎵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交叉偏振式折射率生化傳感器，其特征在于，所述二維環(huán)形光子晶體對(duì)環(huán)境折射率變化的相對(duì)靈敏度S為:
S = [l/fTE(n2) - l/fTM(rii) ] -[l/fTE (rii) -1/fTM(n2)] 其中TE和TM表示電磁波的兩種偏振方式，TE為橫電波，TM為橫磁波#^/?(1^)和fTE/τ?(η2)分別表示二維環(huán)形光子晶體的空氣環(huán)中填充折射率分別為叫和n2的介質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)的TE/TM偏振波帶隙的上邊緣歸一化頻率。
【文檔編號(hào)】G01N21/23GK104266977SQ201410461840
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】蔣立勇, 張偉, 高佳妮, 閆丹, 方明山, 李相銀 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)