基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型光子晶体传感器的制作方法

本发明涉及一种基于fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器，其特点是传感性能优良，尺寸大小灵活，属于光子晶体传感器技术领域。

背景技术：

近年来，为了解决有标签检测中修饰目标分子的高成本以及复杂功能化反应等问题，光子晶体无标签传感器受到了广泛的关注。然而，传统的光子晶体传感器(文献1：yonghaoliu,shulingwang,deyinzhao,weidongzhou,andyuzesun,“highqualityfactorphotoniccrystalfilteratk≈0anditsapplicationforrefractiveindexsensing”,opticsexpress25(9),10536-10545(2017)；文献2：fujunsun,jianzhou,lijunhuang,zhongyuanfu,zhaoxiangding,andhuipingtian,“designon-chipwidth-modulatedline-defectcavityarraystructureformultiplexingcomplexrefractiveindexsensing”,sensorsandactuatorsa:physical257,8-14(2017)；文献3：jianzhou,lijunhuang,zhongyuanfu,fujunsun,andhuipingtian,“multiplexedsimultaneoushighsensitivitysensorswithhigh-ordermodebasedontheintegrationofphotoniccrystal1×3beamsplitterandthreedifferentsingle-slotpcncs”,sensors16(7),1050(2016)；文献4：hansu,xinr.cheng,tatsuroendo,andkagankerman,“photoniccrystalsoncopolymerfilmforlabel-freedetectionofdnahybridization”,biosensorsandbioelectronics103,158-162(2018).)在强光和物质相互作用方面具有局限性。对于传感应用，应提高灵敏度。为了进一步提高光物相互作用的强度，亚波长光栅结构(文献5：stanleym.lo,shurenhu,girijagaur,yiorgoskostoulas,sharonm.weiss,andphilippem.fauchet,“photoniccrystalmicroringresonatorforlabel-freebiosensing”,opticalexpress25(6),7046-7054(2017)；文献6：enxiaoluana,hanyuna,loiclaplatinea,jonasflueckigerb,yonathandattnerc,danielratnerd,karencheunga,andlukaschrostowski,“sub-wavelengthmulti-boxwaveguide-basedlabel-freesensors”,proc.ofspie10535,105350h-1(2017)；文献7：zhengruitu,dingshangao,meilingzhang,anddamingzhang,“high-sensitivitycomplexrefractiveindexsensingbasedonfanoresonanceinthesubwavelengthgratingwaveguidemicro-ringresonator”,opticsexpress25(17),20911-20922(2017).)近年来逐渐得到关注。然而，就设计和制造而言，具有耦合到波导的微环的亚波长光栅结构比光子晶体传感器更复杂。综合考虑到设计制造和高光学特性，我们提出了一种基于fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器，其类te折射率灵敏度可以达到582.5nm/riu，类tm折射率灵敏度可以达到930.5nm/riu。

技术实现要素：

本发明通过调整椭圆空气孔的刻蚀深度以及光源入射方向，达到提高灵敏度的效果，并提出了一种基于fano谐振的二维光子晶体传感器。

1.本发明的具体内容

对于光子晶体传感器的传感特性来说，我们期望品质因子足够大，灵敏度足够高。

(1)设计了一种基于fano谐振的调整椭圆空气孔刻蚀深度的二维光子晶体传感器结构，具体结构如图1所示。

(2)设计了空气孔部分刻蚀的光子晶体结构，相较于传统全刻蚀的光子晶体结构，谐振峰的线宽明显降低，透射图对比如图2所示。

(3)最终经过各项参数优化(晶格常数、椭圆长短轴、板厚、空气孔深度等)，最终确定如图1所示的结构，参数为：a＝1000nm，rmajor＝400nm，rminor＝250nm，t＝160nm，h＝80nm。

2.本发明的优点如下：

(1)本发明提出通过调整椭圆空气孔刻蚀深度，设计了二维光子晶体传感器结构，产生两个谐振模式，分别对应类te和类tm模式。这些模式的电场分布分别位于孔内和板外，可以用于检测不同待测物。

(2)本发明提出完美光子晶体结构，可以达到减小制作难度的目的。

(3)本发明设计空气孔部分刻蚀的结构，有利于待测物在孔内的存留，从而增强光物相互作用。

(4)本发明的结构大小较为灵活，在形成光子晶体结构以后可以任意调整晶格周期数以满足实际要求。

(5)本发明较同类光子晶体传感器提高了灵敏度，同时可以检测模式的范围更加广泛。

3.本发明的原理如下：

(1)在光源垂直入射时，当均匀介质板中引入完美光子晶体结构以后，板内存在导模和导模谐振两种模式。其中，只有导模谐振可以与入射光耦合，从而在介质板附近的空间形成电场分布。

(2)fano谐振指连续态与分立态之间的耦合，在本发明中垂直入射光源为连续态，在板内形成的导模谐振为分立态，二者之间耦合以后，将导致入射光的相位发生变化，从而形成fano谐振。

(3)本发明通过调节椭圆空气孔长短轴比例以及空气孔刻蚀深度来调节导模谐振和入射光之间的耦合，最终形成类te与类tm的fano谐振，同时两个谐振的电场可以分布在不同的空间位置。

附图说明

图1(a)基于fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器结构图。(b)光子晶体晶格示意图，其中晶格常数a＝1000nm，椭圆空气孔长轴rmajor＝400nm，椭圆空气孔短轴rminor＝250nm。(c)光子晶体结构板侧视图，其中板厚t＝160nm，空气孔刻蚀深度h＝80nm。

图2空气孔刻蚀深度分别为80nm(本发明部分刻蚀的深度)和160nm(传统空气孔全部刻蚀的深度)的透射光谱对比图。

图3(a)利用fdtd方法计算得到光子晶体传感器在类te模式不同折射率下的谐振透射图。(b)二维光子晶体类te模式的电场分布图。(c)类te谐振波长与折射率变化的关系拟合图。

图4(a)利用fdtd方法计算得到光子晶体传感器在类tm模式不同折射率下的谐振透射图。(b)二维光子晶体类tm模式的电场分布图。(c)类tm谐振波长与折射率变化的关系拟合图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对发明的具体结构、原理以及传感特性作进一步说明。

本发明提出了一种基于fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型的二维光子晶体传感器，其结构示意图如图1所示。其中晶格参数部分如图1(b)所示，晶格常数a＝1000nm，椭圆空气孔长轴rmajor＝400nm，椭圆空气孔短轴rminor＝250nm。本发明通过调节空气孔的刻蚀深度以提高传感器的性能指标，传感器侧视图如图1(c)所示，板厚t＝160nm，空气孔刻蚀深度h＝80nm。

图2对比了调节空气孔刻蚀深度以后和按照传统方法全部刻蚀掉介质之后的透射结果。按照本发明的设计方法，当刻蚀深度改变为80nm以后，可以显著降低谐振峰的线宽，从而得到更高的品质因子。本发明的谐振峰品质因子分别为：类tm谐振峰7300，类te谐振峰1200。

图3(a)给出了利用fdtd方法计算得到光子晶体传感器在类te模式不同折射率下的谐振透射图。当折射率逐渐变大时，类te模式的谐振峰逐渐红移。图3(b)给出了类te模式谐振峰电场分布图，电场中心分布在空气孔内和空气孔正上方的空间。图3(c)给出了类te模式谐振波长与折射率变化的关系拟合图。经计算，类te模式谐振峰的折射率灵敏度为582.5nm/riu。

图4(a)给出了利用fdtd方法计算得到光子晶体传感器在类tm模式不同折射率下的谐振透射图。当折射率逐渐变大时，类tm模式的谐振峰逐渐红移。图4(b)给出了类tm模式谐振峰电场分布图，电场中心分布在空气孔两侧上方的空间。图4(c)给出了类tm模式谐振波长与折射率变化的关系拟合图。经计算，类tm模式谐振峰的折射率灵敏度为930.5nm/riu。