一种光子晶体传感单元及传感器的制作方法

本发明涉及测量
技术领域：
，具体涉及一种光子晶体传感单元及传感器。
背景技术：
：光子晶体是指具有光子带隙(photonicband-gap，简称为pbg)特性的人造周期性电介质结构，具有不受电磁干扰、不会传染目标传感检测分子、能够集成到单个芯片级的传感平台的特点，其在环境监控、健康医疗、生物医疗研发等众多领域得到了应用。一维光子晶体由两种介质周期交替叠层而成，在垂直于介质层所在平面方向上的折射率是空间坐标的一维周期性函数，而在平行于介质层所在平面方向上介电常数不随空间位置而变化。现有技术公开了一种一维堆栈型模式间隔腔光子晶体折射率传感器，在绝缘体上硅(silicon-on-insulator，以下简称soi)层加工出宽度渐变型的一维光子晶体阵列，通过对垂直于折射率周期变化方向上的宽度进行二次调制引入缺陷，通过对液体折射率变化的检测实现对液体的浓度检测。但上述这种一维光子晶体传感器只有一个传感单元，每次只能检测待测样本中一种液体的浓度，检测效率和样本利用率较低。因此，如何提出一种一维光子晶体传感单元，能够提高对液体浓度的检测效率，成为业界亟待解决的重要课题。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光子晶体传感单元及传感器。一方面，本发明提出一种光子晶体传感单元，包括：位于基底平板上沿光传播方向顺次间隔设置的第一波导、介质层堆栈结构和第二波导，在垂直于所述光传播方向上所述介质层堆栈结构的宽度与所述基底平板的宽度相等；所述介质层堆栈结构包括第一介质层与第一空隙交替排列的一维光子晶体结构和至少两个缺陷体，每个缺陷体均由厚度发生改变的一个所述第一介质层和/或，厚度发生改变的与该第一介质层相邻的所述第一空隙形成，包括第二空隙和第三空隙及所述第二空隙和所述第三空隙之间的第二介质层，所有缺陷体中至少两个缺陷体的尺寸不相同；任意两个所述缺陷体之间、所述第一波导和与所述第一波导相邻的所述缺陷体之间、所述第二波导和与所述第二波导相邻的所述缺陷体之间设置有所述一维光子晶体结构。其中，所述缺陷体有两个，第一缺陷体靠近所述第一波导，第二缺陷体靠近所述第二波导，所述第一缺陷体与所述第一波导之间的第一距离等于所述第二缺陷体与所述第二波导之间的第二距离。其中，所述第一缺陷体与所述第一波导之间的所述第一介质层的数量为5，所述第一缺陷体与所述第二缺陷体之间的所述第一介质层的数量为4。其中，所述第一缺陷体的第二介质层的厚度为0.1609微米，所述第一缺陷体的第二空隙的厚度和第三空隙的厚度都为0.3665微米；所述第二缺陷体的第二介质层的厚度为0.149微米，所述第二缺陷体的第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度都为0.3725微米。其中，所述缺陷体的所述第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度相等。其中，所述一维光子晶体结构的晶格常数为0.298微米，所述第一介质层的厚度为0.149微米。其中，所述第一波导和所述第二波导沿所述光传播方向的长度为2.5微米，所述第一波导和所述第二波导垂直于所述光传播方向的宽度为0.79微米。其中，所述基底平板的厚度为502微米。其中，所述第一波导、所述介质层堆栈结构和所述第二波导在绝缘体上硅的硅层上制作而成。另一方面，本发明提出一种光子晶体传感器，包括上述任一实施例所述的光子晶体传感单元。本发明提供的一种光子晶体传感单元及传感器，在位于基底平板上沿光传播方向顺次间隔设置的第一波导、介质层堆栈结构和第二波导，并在介质层堆栈结构中设置一维光子晶体结构和至少两个缺陷体，通过在不同的缺陷体中填充不同的液体，可以实现对不同液体浓度同时进行检测，节约了液体样本，并提高了对液体浓度的检测效率。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明一实施例光子晶体传感单元的结构示意图；图2a-2e为本发明一实施例通过光子晶体传感单元获得的谐振峰及其场分布曲线示意图；图3为本发明一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图；图4为本发明另一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图；图5为本发明又一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图；图6为本发明一实施例通过光子晶体传感单元获得的折射率灵敏度示意图；附图标记说明：1-基底平板；2-第一波导；3-介质层堆栈结构；4-第二波导；30-缺陷体；31-一维光子晶体结构；301-第一缺陷体；302-第二缺陷体。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明一实施例光子晶体传感单元的结构示意图，如图1所示，本发明提供的光子晶体传感单元，包括：位于基底平板1上沿光传播方向顺次间隔设置的第一波导2、介质层堆栈结构3和第二波导4，在垂直于所述光传播方向上介质层堆栈结构3的宽度与基底平板1的宽度相等；介质层堆栈结构3包括第一介质层与第一空隙交替排列的一维光子晶体结构31和至少两个缺陷体30，每个缺陷体30均由厚度发生改变的一个所述第一介质层和/或，厚度发生改变的与该第一介质层相邻的所述第一空隙形成，包括第二空隙和第三空隙及所述第二空隙和所述第三空隙之间的第二介质层，所有缺陷体30中至少两个缺陷体30的尺寸不相同；任意两个缺陷体30之间、第一波导2和与第一波导2相邻的缺陷体30之间、第二波导4和与第二波导4相邻的缺陷体30之间设置有一维光子晶体结构31。基底平板1包括埋氧层和衬底层，本发明提供的光子晶体传感单元可以通过电子束光刻方法在soi上蚀刻硅层制作而成，基底平板1可以是soi的绝缘层和衬底层，基底平板1对第一波导2、介质层堆栈结构3和第二波导4起到固定和支撑作用。入射探测光束可以通过第一波导2或者第二波导4入射，当通过第一波导2入射时，第一波导2作为输入波导，第二波导4作为输出波导；当通过第二波导4入射时，第二波导4作为输入波导，第一波导2作为输出波导。介质层堆栈结构3包括一维光子晶体结构31和至少两个缺陷体30，一维光子晶体结构31由第一介质层与第一空隙交替排列构成。每个缺陷体30可以看成是厚度发生改变的一个所述第一介质层和/或、厚度发生改变的与该第一介质层相邻的第一空隙形成，包括第二空隙和第三空隙及所述第二空隙和所述第三空隙之间的第二介质层，因此，所述第二介质层的厚度与所述第一介质层的厚度不相等和/或，所述第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度至少有一个与所述第一空隙的厚度不相等。所有缺陷体30中至少两个缺陷体30的尺寸不相同，两个缺陷体30的尺寸不相同指的是两个缺陷体30的所述第二介质层的厚度不相等、所述第二空隙的厚度不相等、所述第三空隙的厚度不相等三个条件中至少有一个成立。任意两个缺陷体30之间设置有一维光子晶体结构31，第一波导2与相邻的缺陷体30之间设置有一维光子晶体结构31、第二波导4与相邻的所述缺陷体之间设置有一维光子晶体结构31。其中，所述第一介质层的厚度是指沿所述光传播方向上所述第一介质层的长度，所述第一空隙的厚度是指沿所述光传播方向上所述第一空隙的长度，所述第二介质层的厚度是指沿所述光传播方向上所述第二介质层的长度，所述第二空隙的厚度是指沿所述光传播方向上所述第二空隙的长度，所述第三空隙的厚度是指沿所述光传播方向上所述第三空隙的长度。在进行液体浓度测量时，所述第一空隙内可以填充纯水，折射率为1.35，各个缺陷体30处填充不同的待测液体，通过所述入射波导的所述入射探测光束经过介质层堆栈结构3时，在各个缺陷体30处产生光子局域化现象，所述入射探测光发生耦合作用，然后进入所述输出波导，经过所述输出波导的出射光束可以被探测到，根据所述出射光束透射谱中谐振峰频率位置的移动和峰值大小的改变可以得到各个待测液体的折射率信息，再根据折射率信息计算获得各个待测液体的浓度。通过介质层堆栈结构3可以获得较高的品质因子的谐振峰以及较高的对待测液体的折射率的灵敏度。本发明提供的一种光子晶体传感单元及传感器，在位于基底平板上沿光传播方向顺次间隔设置的第一波导、介质层堆栈结构和第二波导，并在介质层堆栈结构中设置一维光子晶体结构和至少两个缺陷体，通过在不同的缺陷体中填充不同的液体，可以实现对不同液体浓度同时进行检测，节约了液体样本，并提高了对液体浓度的检测效率。如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步地，缺陷体30有两个，第一缺陷体301靠近第一波导2，第二缺陷体302靠近第二波导302，第一缺陷体301与第一波导2之间的第一距离等于第二缺陷体302与第二波导4之间的第二距离。具体地，介质层堆栈结构3包括两个缺陷体30，第一缺陷体301靠近第一波导2，与第一波导2之间相距第一距离，第二缺陷体302靠近第二波导4，与第二波导4之间相距第二距离，所述第一距离等于所述第二距离。设置所述第一距离等于所述第二距离，有利于获得较高的对液体的折射率的灵敏度，以及高品质因子的透射峰。如图1所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，第一缺陷体301与第一波导之间的所述第一介质层的数量为5，第一缺陷体304与第二缺陷体302之间的所述第一介质层的数量为4。具体地，在第一缺陷体301与第一波导2之间间隔5个所述第一介质层，同样地在第二缺陷体302与第一波导2之间间隔5个所述第一介质层，在第一缺陷体301与第二缺陷体302之间间隔4个所述第一介质层。例如，第一缺陷体301与第一波导2之间的间距可以为1.341微米，包括5个所述第一介质层以及4个所述第一空隙，第一缺陷体301与第二缺陷体302之间的间距可以为1.043微米，包括4个所述第一介质层以及3个所述第一空隙。上述结构的设置，有利于获得高品质因子的透射峰。在上述各实施例的基础上，进一步地，第一缺陷体301的第二介质层的厚度为0.1609微米，第一缺陷体301的第二空隙的厚度和第三空隙的厚度都为0.3665微米；第二缺陷体302的第二介质层的厚度为0.149微米，第二缺陷体302的第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度都为0.3725微米。上述对第一缺陷体和第二缺陷体尺寸的设置，有利于获得较高的对液体的折射率的灵敏度以及较高品质因子的透射峰。在上述各实施例的基础上，进一步地，缺陷体30的所述第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度相等。例如，有两个缺陷体30，第一缺陷体301的第二空隙的厚度和第三空隙的厚度相等，第二缺陷体302的第二空隙的厚度和所述第三空隙的厚度相等。在上述各实施例的基础上，进一步地，一维光子晶体结构31的晶格常数为0.298微米，所述第一介质层的厚度为0.149微米。在上述各实施例的基础上，进一步地，第一波导2和第二波导4沿所述光传播方向的长度为2.5微米，第一波导2和第二波导4垂直于所述光传播方向的宽度为0.79微米。在上述各实施例的基础上，进一步地，基底平板1的厚度为4微米。具体地，基底平板1对位于其上的第一波导2、介质层堆栈结构3和第二波导4起到支撑作用，在垂直于基底平板1支撑平面的方向上需要一定的厚度，可以将基底平板1的厚度为设置为4微米。在上述各实施例的基础上，进一步地，第一波导2、介质层堆栈结构3和第二波导4在绝缘体上硅的硅层上制作而成。具体地，绝缘体上硅自上而下包括硅层、绝缘层和衬底层，可以采用电子束光刻方法在所述硅层上制作出第一波导2、介质层堆栈结构3和第二波导4。具体制作过程如下：第一步，将soi晶片进行清洗；第二步，利用匀胶机旋涂一层电子束抗刻蚀剂在soi晶片表面；第三步，采用电子束光刻技术进行曝光光刻，被曝光光刻区域电子束抗刻蚀剂发生凝聚固化，从而将光子晶体传感器结构转移到soi晶片的硅层上；第四步，将soi晶片进行显影和定影；第五步，利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术将soi晶片上没有电子束抗刻蚀剂覆盖区域的硅刻蚀掉；第六步，去除soi晶片表面的电子束抗刻蚀剂。下面通过一具体的实施例说明本发明提供的光子晶体传感单元。本实施例中，如图1所示，所述光子晶体传感单元由soi制作而成，soi的硅层高度为h1＝2微米，绝缘层高度为h2＝2微米，衬底层高度为h3＝500微米。所述入射探测光束为tm模式高斯光束，即磁场强度垂直光传播方向模式高斯光束，波长范围为1-2微米，从第一波导2入射，经介质层堆栈结构3从第二波导4射出。第一波导2、介质层堆栈结构3、第二波导4沿所述入射探测光束传播方向(以下简称光传播方向)顺次间隔排列。第一波导2呈长方体结构，沿所述光束传播方向的长度为l1，垂直于所述光束传播方向的宽度为w＝0.79微米，高度为h1＝2微米；相应地，第二波导4的长度为l2，宽度为w＝0.79微米，高度为h1＝2微米。一维光子晶体结构31中所述第一介质层的厚度lx＝0.149微米，垂直于所述光束传播方向的宽度为ly＝2.5微米，与soi垂直于所述光束传播方向的宽度相等，晶格常数为a＝0.298微米。介质层堆栈结构3包括两个缺陷体30，靠近第一波导2的第一缺陷体301和靠近第二波导4的第二缺陷体302，第一缺陷体301与第一波导2之间间隔5个所述第一介质层，同样的第二缺陷体302与第二波导4之间间隔5个所述第一介质层，第一缺陷体301与第二缺陷体302之间间隔4个所述第一介质层。缺陷体301的第二空隙的厚度为d1＝0.3665微米，缺陷体301的第二介质层的厚度为t1＝0.1609微米，缺陷体301的第三空隙的厚度为d2＝0.3665微米，缺陷体302的第二空隙的厚度为d3＝0.3725微米，缺陷体302的第二介质层的厚度为t2＝0.149微米，缺陷体302的第三空隙的厚度为d4＝0.3725微米。图2a-2e为本发明另一实施例通过光子晶体传感单元获得的谐振峰及其场分布曲线示意图，采用上述光子晶体传感单元的光子晶体传感器通过仿真计算得到所述入射探测光束通过不添加待测液体的上述光子晶体传感单元后的透射光谱，图2a为本发明另一实施例通过光子晶体传感单元获得的谐振峰示意图，如图2a所示，所述透射光谱具有谐振峰1、谐振峰2、谐振峰3、谐振峰4四个谐振峰。图2b-2e为本发明另一实施例通过光子晶体传感单元获得的谐振峰的场分布曲线示意图，如图2b-2e所示，通过进一步仿真计算可以分别得到谐振峰1、谐振峰2、谐振峰3和谐振峰4所对应的场分布图，由图2b-2e可知，所述谐振峰1、谐振峰2、谐振峰3和谐振峰4所在波长的光场大部分都分布在低折射率区域，与谐振峰3和谐振峰4相比，谐振峰1和谐振峰2的光场分布更多地局域在第一缺陷体301和第二缺陷体302处，因此采用谐振峰1和谐振峰2来进行待测液体浓度的检测。通过进一步仿真计算得到谐振峰1的品质因子为9595.7，谐振峰2的品质因子为9793.08。图3为本发明一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图，如图3所示，采用上述光子晶体传感单元的光子晶体传感器，在第一缺陷体301中分别填充不同蛋白质浓度的液体，在第二缺陷体302以及一维光子晶体结构31未填充待测浓度蛋白质液体，只填充液体水时，得到透射谱。从图3中可以看出，当所述液体的折射率增加时，从1.350增加到1.354，再增加到1.358，谐振峰1和谐振峰2的峰值同时明显变小；谐振峰1的波长向长波方向发生微小偏移，而谐振峰2的波长向长波方向有明显偏移。图4为本发明另一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图，如图4所示，采用上述光子晶体传感单元的光子晶体传感器，在第二缺陷体302中分别填充不同蛋白质浓度的液体，在第一缺陷体301以及一维光子晶体结构31未填充待测浓度蛋白质液体，只填充液体水时，得到透射谱。从图4中可以看出，当所述液体的折射率增加时，谐振峰1和谐振峰2的峰值同时明显变大；谐振峰2的波长向长波方向发生微小偏移，而谐振峰1的波长向长波方向有明显偏移。图5为本发明又一实施例通过光子晶体传感单元获得的透射谱示意图，如图5所示，采用上述光子晶体传感单元的光子晶体传感器，在第一缺陷体301和第二缺陷体302中同时填充不同蛋白质浓度的液体，一维光子晶体结构31未填充待测浓度蛋白质液体，只填充液体水时，得到透射谱。从图5中可以看出，当生物样本折射率增加时，谐振峰1和谐振峰2的峰值都有微小增加，谐振峰1和谐振峰2的波长都向长波方向有明显偏移。因此，基于液体的蛋白质浓度已知的情况下，通过同时监测谐振峰1和谐振峰2频率位置及峰值大小的变化，就可以判断出填充到第一缺陷体301还是第二缺陷体302的中的液体的折射率发生了改变以及发生了怎样的改变。表1是光子晶体传感器的性能参数表，所述光子晶体传感器采用上述光子晶体传感单元，在生物样本进行浓度测量时，获得的透射谱中两个谐振峰波长位置和透过率数值大小随着生物样本中的蛋白质浓度以及流经缺陷体的不同，发生不同程度的改变。因此，可以通过探测透射峰波长位置的改变量和透过率的变化量推测出折射率的变化量和变化区域。所述光子晶体传感器工作时，上述光子晶体传感单元放置在折射率n＝1.350的水环境中，因此当缺陷体1和缺陷体2处无待测浓度蛋白质流经时，折射率为n＝1.350，表1中n＝1.350表示缺陷体1和缺陷体2无所述待测浓度蛋白质时光束通过。折射率为n＝1.354，n＝1.358的两种生物样本分别流经不同的缺陷体，“l”表示待测样本仅流经缺陷体1，“r”表示待测样本仅流经缺陷体2，“l&r”表示待测样本同时流经缺陷体1和缺陷体2。λl表示透射谱中谐振峰1的波长大小，tl表示谐振峰1的透射率。λr表示透射谱中谐振峰2的波长大小，tr表示谐振峰2的透射率。表1是光子晶体传感器的性能参数表λl(nm)tlλr(nm)trn＝1.3501541.40.33841565.70.3111l,n′＝1.3541541.60.29211568.10.2496l,n′＝1.3581541.80.25071570.60.2176r,n′＝1.3541543.90.406215660.3813r,n′＝1.3581546.30.48681566.40.4688l&r,n′＝1.3541544.10.34591568.40.3135l&r,n′＝1.3581546.90.35051571.10.3227例如，图6为本发明一实施例通过光子晶体传感单元获得的折射率灵敏度示意图，如图6所示，采用上述光子晶体传感单元的光子晶体传感器，当待测液体的折射率改变0.0002时，可以明显地区分两个谐振峰。上述光子晶体传感单元可以达到650nm/riu的高折射率灵敏度。在上述各实施例的基础上，进一步地，本发明提供的光子晶体传感器包括如上述任一实施例所述的光子晶体传感单元。本发明提供的一种光子晶体传感器，采用在位于基底平板上沿光传播方向顺次间隔设置的第一波导、介质层堆栈结构和第二波导，并在介质层堆栈结构中设置一维光子晶体结构和至少两个缺陷体的传感单元，通过在不同的缺陷体中填充不同的液体，可以实现对不同液体浓度同时进行检测，节约了液体样本，并提高了对液体浓度的检测效率。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12