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    重庆时时彩v2.2.0版本: 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.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510886326.3

    申请日:

    2015.12.04

    公开号:

    CN105606567A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/41申请日:20151204|||公开
    IPC分类号: G01N21/41 主分类号: G01N21/41
    申请人: 北京邮电大学
    发明人: 田慧平; 黄利军; 周健; 付中原; 孙富君
    地址: 100876 北京市海淀区西土城路10号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510886326.3

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    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。本发明在一维纳米束结构的基础上,首次通过引用椭圆柱形状的孔,从腔中间往两边依次增大椭圆孔的长轴的尺寸,形成一个脊波导,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。在水溶液环境下,光子晶体生物传感器微腔的折射率发生变化时,其最高的品质因子为6.04×105,通过透射谱偏移计算其灵敏度为244.7nm/RIU,从而能够检测出溶液的折射率的变化,能应用于生物传感检测领域。

    权利要求书

    1.一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的实现方法,其中该光子晶体纳米束生物传感器结构是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。2.如权利要求1所述的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的实现方法,其特征是: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高斯衰减镜像,其中长轴为垂直波导传播方向,尺寸Ey(j)=Eycenter+(j/jmax)2(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,Eycenter指的是中心椭圆孔的长轴的尺寸,Eyend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,硅波导的折射率nsi=3.46,椭圆孔和原始背景的折射率nb=1.330。3.如权利要求1所述的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的实现方法,其特征是:在沿一维光子晶体波导方向上,在权利要求书2所述的渐变的椭圆孔两边刻蚀尺寸和个数相同的椭圆孔结构获得最高品质因子的低折射率模式传感的纳米束腔结构,在1550nm附近获得了最高品质因子为6.04×105,硅波导的折射率nsi=3.46,椭圆孔和原始背景的折射率nb=1.330。4.如权利要求1所述的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的实现方法,其特征在于通过测量输出端透射谱中谐振峰的偏移来检测不同溶液的折射率,在1550nm附近测量折射率变化在1.330到1.345范围内的灵敏度为244.7nm/RIU,椭圆孔和背景的折射率的变化为nb=1.330到nb=1.345。

    说明书

    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

    技术领域

    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

    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.ChoiandB.T.Cunningham.Single-stepfabricationandcharacterizationofphotoniccrystalbiosensorswithpolymermicrofluidicchannels[J],LabonaChip,6(10)(2006):1373–1380.文献2:Vollmer,FrankandLanYang.ReviewLabel-freedetectionwithhigh-Qmicrocavities:areviewofbiosensingmechanismsforintegrateddevices[J],Nanophotonics1(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。

    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.Integratedtemperaturesensorbasedonanenhancedpyroelectricphotoniccrystal[J],OpticsExpress,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.Ji.Nanoscaletorsion-freephotoniccrystalpressuresensorwithultra-highsensitivitybasedonside-coupledpiston-typemicrocavity[J],SensorsandActuatorsA199,(2013):30-36),应用到生化传感方面(文献5,W.Lai,S.Chakravarty,Y.Zou,Y.Guo,andR.T.Chen.Slowlightenhancedsensitivityofresonancemodesinphotoniccrystalbiosensors[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.Shi.Temperatureinsensitivelower-index-modephotoniccrystalnanobeamcavity[J],OpticsLetters,40(2),(2015):264-267.),应用到折射率传感方面(文献7:D.Yang,H.Tian,Y.Ji.High-Qandhigh-sensitivitywidth-modulatedphotoniccrystalsinglenanobeamair-modecavityforrefractiveindexsensing[J].AppliedOptics,54(1),(2015):1-5.)。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(文献8:Y.Zhang,Y.Shi,Temperatureinsensitiveslottedair-modephotoniccrystalcavity[J].InOptoelectronicDevicesandIntegrationOpticalSocietyofAmerica,(2014,June):OF4A-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。

    发明内容

    (一)要解决的技术问题

    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。

    (二)技术方案

    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。

    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。

    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高斯衰减镜像,长轴为垂直波导传播方向,尺寸Ey(j)=Eycenter+(j/jmax)2(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,Eycenter指的是中心椭圆孔的长轴的尺寸,Eyend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。

    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高品质因数。

    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。

    (三)有益效果

    从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:

    1)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。

    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

    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。

    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h为220nm,宽度Wb为850nm,椭圆孔ne和原始背景折射率nb0为1.330。

    图2为椭圆孔主轴半径为150nm和280nm的能带结构图。

    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。

    图4为一维纳米束腔电场分布图。

    图5为在1550nm附近测量折射率变化在1.330到1.345范围内,利用有限差分时域方法得到的一维纳米束的传输透射谱,插图是不同折射率下的传输透射谱的放大图。

    具体实施方式

    为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结果具体实施例,并参照附图,对本发明的具体结构、原理以及传感特性作进一步的详细说明。

    本发明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的实现方法,如图1所示为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结构示意图。该结构中,为了能够形成低折射率模式的光子晶体纳米束腔结构,椭圆孔关于波导中心对称,分为渐变区域和镜像区域。渐变区域和镜像区域的晶格周期相同,都为a,其值通过有限差分时域方法仿真计算取了一个最优值为400nm。一维波导选择为硅材料,其折射率为3.46,波导的厚度选择为常见的厚度h,为220nm,波导的宽度为Wb,其值结合晶格周期的值,通过有限差分时域方法仿真计算取了一个最优值为850nm。椭圆孔和原始背景折射率选择为去离子水环境,其值为1.330。光从输入波导的左边输入,在输出波导的右边设置监视器检测传输透射谱。

    本发明提出的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的实现方法主要的参数选择为渐变区域的椭圆孔的个数和尺寸。其渐变区域的空气孔个数和尺寸选择为:首先结合波导宽度和晶格周期的值,利用有限差分时域方法仿真使得中间单元的低折射率的最低带边缘的谐振波长处在1550nm附近,通过仿真计算得出最佳的中间单元的椭圆孔的长轴和短轴的值分别150nm和120nm。其次为了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,改变椭圆孔长轴的值,利用镜像强度公式γ=[(ω2-ω1)2/(ω2+ω1)2-(ωres-ωc)2/(ωc)2]结合有限差分时域仿真方法获得最大的镜像强度值γ,其中ω1和ω2为下边带和上边带带边缘频率,ωres和ωc为腔谐振频率和中间带频率,记下获得最大镜像强度的晶胞单元的椭圆孔的长轴和短轴值。再次利用公式Ey(j)=Eycenter+(j/jmax)2(Eyend-Eycenter)计算第j个单元椭圆孔的长轴和短轴尺寸,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,Eycenter指的是中心椭圆孔的长轴的尺寸,Eyend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。图2为一维光子晶体纳米束生物传感器的中间单元和最后单元的能带图,随着单元格椭圆孔的主轴的半径增大,谐振的频率推向更高的频率,中间单元的低折射率模式被局域到其后一系列单元的禁带内,增加了光的局域时间。

    本发明提出的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的实现方法另一个主要的参数选择为镜像区域的椭圆孔的个数。其镜像区域的空气孔个数选择为:为了能够减少在波导传播方向的辐射损失和垂直方向的散射损失来获得高品质因子,结合有限差分时域方法仿真计算Qt=Qx+Qy+Qz=Qx+Qsc获得最高的品质因子,其中Qx代表沿波导传播方向的品质因子,与辐射损失有关,Qy和Qz代表垂直于传播方向的y方向和z方向的品质因子,与散射损失有关,Qsc代表垂直传播方向的品质因子,与散射损失有关。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。从图可以看出,随着渐变区域椭圆孔个数的增加,相关品质因子先增大后减小,这是因为一维纳米束腔的水平辐射损失和垂直散射损失先减少后增大。而当渐变椭圆孔数目为13,增大镜像区域的空气孔数目时,只有Qx先增加后减少,Qt,Qy,Qz,Qsc基本上保持不变,因为当渐变椭圆孔数目为13,增大镜像区域的空气孔数目时,水平辐射损失先减少后增加,垂直辐射基本上保持不变。通过有限差分时域方法计算获得了最高的品质因子6.04×105。

    图4为一维纳米束腔电场分布图。从图4可以看出,通过三维有限差分时域方法得到电场被强烈的局域到腔中间的低折射率区域,能够增加光与物质的相互作用,提高传感器的灵敏度。

    最后对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整体性能进行了分析。图5为在1550nm附近测量折射率变化在1.330到1.345范围内,利用有限差分时域方法得到的一维纳米束的传输透射谱,插图是不同折射率下的传输透射谱的放大图。从图5看出,随着水溶液折射率的增大,传输透射谱的谐振频率被推向低频高波长段,当折射率分别为1.330,1.335,1.340,1.345时,检测到的传输透射谱的谐振波长分别为1542.98nm,1544.18nm,1545.42nm,1546.65nm。利用灵敏度计算公式,得到传感器的灵敏度为244.7nm。由此可见,在实际应用中可以根据应用需要,通过改变水溶液中不同溶液的浓度变化来检测光传输透射谱的谐振峰的偏移计算出溶液浓度的变化情况。

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