一种基于椭圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔生物传感器结构的制作方法

文档序号:9842608
一种基于椭圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔生物传感器结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用椭圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔生物传感器的实现方法,属于光子晶体传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来,光子晶体传感技术相对于电子传感技术和有标签的光传感技术来说,因具有不受电磁干扰、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而成为了一个全球吸引的研究领域,(文献1: C.J.Choi and B.T.Cunningham.Single-stepfabricat1n and characterizat1n of photonic crystal b1sensors with polymermicrof luidic channels[J],Lab on a Chip,6( 10) (2006): 1373-1380.文献2: Vollmer,Frank and Lan Yang.Review Label-free detect1n with high—Q microcavities: areview of b1sensing mechanisms for integrated devices[J],Nanophotonics 1(3-4) (2012): 267-291.),所有这些优点让光子晶体传感技术能够应用到众多领域,包括环境监控、健康医疗、生物医疗研发甚至国家安全等等。
[0003]例如,在基于二维光子晶体平板结构的传感技术方面已经得到显著的发展,应用到温度传感方面(文献3:H.Lu,M.P.Bernal.1ntegrated temperature sensor based onan enhanced pyroelectric photonic crystal[J],Optics Express,21(14),(2013):16311-16318),应用到压力传感方面(文献4:D.Yang,H.Tian,N.Wu,Y.Yang,andY.J1.Nanoscale tors1n-free photonic crystal pressure sensor with ultra-highsensitivity based on side-coupled piston-type microcavity[J],Sensors andActuators A 199,(2013):30-36),应用到生化传感方面(文献5,W.Lai ,S.Chakravarty,Y.Zou,Y.Guo,and R.T.Chen.Slow light enhanced sensitivity of resonance modesin photonic crystal b1sensors[J],Appl.Phys.Lett.102(4),,(2013):041111)。但是,这些基于二维光子晶体平板结构的传感器的尺寸相对较大,不利于尺寸进一步缩小的光传感芯片的集成。为了进一步缩小光子晶体传感器的尺寸,一维光子晶体传感技术得到了提出和发展,例如,应用到温度传感方面(文献6:Y.Zhang,Y.Sh1.Temperature insensitivelower-1ndex-mode photonic crystal nanobeam cavity[J],Optics Letters,40(2),(2015):264-267.),应用到折射率传感方面(文献7:D.Yang,H.Tian,Y.J1.High-Q andhigh-sensitivity width-modulated photonic crystal single nanobeam air-modecavity for refractive index sensing[J].Applied Optics,54(I),(2015):1-5.)0但是,这些一维光子晶体传感器绝大部分是基于圆形穿孔的,只有个别的是基于矩形穿孔的(文南犬8:Y.Zhang,Y.Shi,Temperature insensitive slotted air-mode photoniccrystal cavity[J].1n Optoelectronic Devices and Integrat1n Optical Societyof America,(2014 June):0F4A-6.) 为了能够进一步提高集成度,获得高灵敏度的一维光子晶体纳米束腔传感器,提出了基于橢圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔生物传感器。

【发明内容】

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]为了克服上述现有技术的不足,本发明首次提出了一种椭圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔生物传感器结构。
[0006](二)技术方案
[0007]为了实现上述目的,首先在一维光子晶体硅波导的基础上首先刻蚀关于波导中心个数对称长轴尺寸渐变的椭圆孔,然后在渐变的椭圆孔两边刻蚀尺寸和个数相同的椭圆孔而获得高品质因子的脊波导结构,实现低折射率模式传感的纳米束腔结构。
[0008]上述方案中,所述的一维光子晶体硅波导刻蚀椭圆孔是在硅上利用离子刻蚀、干法刻蚀、湿法腐蚀等技术形成一维光子晶体纳米束腔结构。
[0009]上述方案中,所述的蚀刻关于波导中心个数对称长轴尺寸渐变的椭圆孔,是在沿一维光子晶体波导方向上,首先刻蚀关于波导中心个数对称长轴尺寸渐变的椭圆孔结构形成尚斯发减备像,长轴为垂直波导传播方向,尺寸Ey( j ) =Eycenter+( j/jmax) ( Eyend-Eycenter ),j^ ["jmax, jmax],j指的是第j个椭圆孔,Ey ( j )指的是第j个椭圆孔的长轴的尺寸,Ey—tei?指的是中心椭圆孔的长轴的尺寸,Eye3nd指的是最后一个椭圆孔的长轴的尺寸,jmaX指的是最多的椭圆孔的个数。
[0010]上述方案中,所述的在渐变的椭圆孔两边刻蚀尺寸和个数相同的椭圆孔而获得高品质因子的脊波导结构,是指通过有限差分时域方法计算在波导传播方向辐射损失和垂直方向的散射损失来实现最小损失获得最尚品质因数。
[0011]上述方案中,所述的实现低折射率模式传感的纳米束腔结构,是指使得中间单元的低折射率模式局域到其两边的单元的禁带里,提高光的局域时间,增强光与分析物的作用时间,提高生物传感器的灵敏度和品质因子。
[0012](三)有益效果
[0013]从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
[0014]I)本发明提供的一种椭圆孔渐变的低折射率模式的光子晶体纳米束腔生物传感器结构,采用渐变椭圆孔结构使得中间单元的低折射率模式局域到其两边的单元的禁带里,提高光的局域时间,提高了生物传感器品质因子和灵敏度。
[0015]2)本发明提供的一种椭圆孔渐变的低折射率模式的光子晶体纳米束腔生物传感器结构,采用一维椭圆孔形纳米束腔结构,减少了纳米束腔的尺寸,进一步提高了光子晶体传感器的集成性。
【附图说明】
[0016]以下各图所取的椭圆孔渐变的低折射率模式的一维光子晶体纳米束腔结构参数以及椭圆孔和背景的折射率均与【具体实施方式】中相同。
[0017]图1为基于椭圆孔渐变的低折射率模式的光子晶体纳米束腔结构示意图。晶格周期a为400nm,波导折射率nsi为3.46,波导厚度11为22011111,宽度1为85011111,椭圆孔116和原始背景折射率1^为1.330。
[0018]图2为椭圆孔主轴半径为150nm和280nm的能带结构图。
[0019]图3(a)为当镜像区域椭圆孔为5时,相关品质因数(Qt,Qx,Qy,Qz,Qsc)随渐变区域椭圆孔个数变化的函数,(b)为渐变区域椭圆孔个数为13时,相关品质因数(Qt,Qx,Qy,Qz,Qsc)随镜像区域椭圆孔个数变化的函数。
[0020]图4为一维纳米束腔电场分布图。
[0021]图5为在1550nm附近测量折射率变化在1.330到1.345范围内
再多了解一些
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