一種基于橢圓孔漸變的低折射率模式的一維光子晶體納米束腔生物傳感器結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用橢圓孔漸變的低折射率模式的一維光子晶體納米束腔生物傳感器的實現方法，屬于光子晶體傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，光子晶體傳感技術相對于電子傳感技術和有標簽的光傳感技術來說，因具有不受電磁干擾、不會傳染目標傳感檢測分子、能夠集成到單個芯片級的傳感平臺而成為了一個全球吸引的研究領域，(文獻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.文獻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.)，所有這些優點讓光子晶體傳感技術能夠應用到眾多領域，包括環境監控、健康醫療、生物醫療研發甚至國家安全等等。
[0003]例如，在基于二維光子晶體平板結構的傳感技術方面已經得到顯著的發展，應用到溫度傳感方面(文獻3:H.Lu，M.P.Bernal.1ntegrated temperature sensor based onan enhanced pyroelectric photonic crystal[J],Optics Express，21(14)，(2013):16311-16318)，應用到壓力傳感方面(文獻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)，應用到生化傳感方面(文獻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，這些基于二維光子晶體平板結構的傳感器的尺寸相對較大，不利于尺寸進一步縮小的光傳感芯片的集成。為了進一步縮小光子晶體傳感器的尺寸，一維光子晶體傳感技術得到了提出和發展，例如，應用到溫度傳感方面(文獻6:Y.Zhang，Y.Sh1.Temperature insensitivelower-1ndex-mode photonic crystal nanobeam cavity[J],Optics Letters,40(2),(2015):264-267.)，應用到折射率傳感方面(文獻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，這些一維光子晶體傳感器絕大部分是基于圓形穿孔的，只有個別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.) 為了能夠進一步提高集成度，獲得高靈敏度的一維光子晶體納米束腔傳感器，提出了基于橢圓孔漸變的低折射率模式的一維光子晶體納米束腔生物傳感器。
【發明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]為了克服上述現有技術的不足，本發明首次提出了一種橢圓孔漸變的低折射率模式的一維光子晶體納米束腔生物傳感器結構。
[0006](二)技術方案
[0007]為了實現上述目的，首先在一維光子晶體硅波導的基礎上首先刻蝕關于波導中心個數對稱長軸尺寸漸變的橢圓孔，然后在漸變的橢圓孔兩邊刻蝕尺寸和個數相同的橢圓孔而獲得高品質因子的脊波導結構，實現低折射率模式傳感的納米束腔結構。
[0008]上述方案中，所述的一維光子晶體硅波導刻蝕橢圓孔是在硅上利用離子刻蝕、干法刻蝕、濕法腐蝕等技術形成一維光子晶體納米束腔結構。
[0009]上述方案中，所述的蝕刻關于波導中心個數對稱長軸尺寸漸變的橢圓孔，是在沿一維光子晶體波導方向上，首先刻蝕關于波導中心個數對稱長軸尺寸漸變的橢圓孔結構形成尚斯發減備像，長軸為垂直波導傳播方向，尺寸Ey( j ) =Eycenter+( j/jmax) ( Eyend-Eycenter )，j^ ["jmax, jmax]，j指的是第j個橢圓孔，Ey ( j )指的是第j個橢圓孔的長軸的尺寸，Ey—tei?指的是中心橢圓孔的長軸的尺寸，Eye3nd指的是最后一個橢圓孔的長軸的尺寸，jmaX指的是最多的橢圓孔的個數。
[0010]上述方案中，所述的在漸變的橢圓孔兩邊刻蝕尺寸和個數相同的橢圓孔而獲得高品質因子的脊波導結構，是指通過有限差分時域方法計算在波導傳播方向輻射損失和垂直方向的散射損失來實現最小損失獲得最尚品質因數。
[0011]上述方案中，所述的實現低折射率模式傳感的納米束腔結構，是指使得中間單元的低折射率模式局域到其兩邊的單元的禁帶里，提高光的局域時間，增強光與分析物的作用時間，提高生物傳感器的靈敏度和品質因子。
[0012](三)有益效果
[0013]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0014]I)本發明提供的一種橢圓孔漸變的低折射率模式的光子晶體納米束腔生物傳感器結構，采用漸變橢圓孔結構使得中間單元的低折射率模式局域到其兩邊的單元的禁帶里，提高光的局域時間，提高了生物傳感器品質因子和靈敏度。
[0015]2)本發明提供的一種橢圓孔漸變的低折射率模式的光子晶體納米束腔生物傳感器結構，采用一維橢圓孔形納米束腔結構，減少了納米束腔的尺寸，進一步提高了光子晶體傳感器的集成性。
【附圖說明】
[0016]以下各圖所取的橢圓孔漸變的低折射率模式的一維光子晶體納米束腔結構參數以及橢圓孔和背景的折射率均與【具體實施方式】中相同。
[0017]圖1為基于橢圓孔漸變的低折射率模式的光子晶體納米束腔結構示意圖。晶格周期a為400nm，波導折射率nsi為3.46，波導厚度11為22011111，寬度1為85011111，橢圓孔116和原始背景折射率1^為1.330。
[0018]圖2為橢圓孔主軸半徑為150nm和280nm的能帶結構圖。
[0019]圖3(a)為當鏡像區域橢圓孔為5時，相關品質因數(Qt，Qx，Qy，Qz，Qsc)隨漸變區域橢圓孔個數變化的函數，(b)為漸變區域橢圓孔個數為13時，相關品質因數(Qt，Qx，Qy，Qz，Qsc)隨鏡像區域橢圓孔個數變化的函數。
[0020]圖4為一維納米束腔電場分布圖。
[0021]圖5為在1550nm附近測量折射率變化在1.330到1.345范圍內