一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于生化傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是近年來受到科學(xué)界持續(xù)關(guān)注的一種人工電磁材料。類似于固態(tài)電子晶體，光子晶體中光子的色散關(guān)系也呈現(xiàn)出帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間形成光子帶隙，我們稱之為光子能帶結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱能帶結(jié)構(gòu)。如果在光子晶體中引入缺陷，則會(huì)在光子帶隙中引入缺陷態(tài)，由此而產(chǎn)生出許多器件方面的應(yīng)用。而光子晶體又有單原子光子晶體和多原子光子晶體之分。單原子光子晶體是指在初基元胞內(nèi)只有一個(gè)散射子，多原子光子晶體是指在初基元胞內(nèi)存在多個(gè)散射子并且在位置、形狀和折射率等參數(shù)上存在差異。由于具有更高的拓?fù)渥杂啥龋嘣庸庾泳w是一個(gè)具有更豐富內(nèi)涵的物理體系。目前，大量的研究工作主要集中在如何利用單原子光子晶體制作性能優(yōu)良的光電子器件。對(duì)多原子光子晶體光學(xué)性質(zhì)及相關(guān)器件的研究報(bào)導(dǎo)很少，尤其是對(duì)它的生化傳感器件的研究更為少見。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，該生化傳感器性能穩(wěn)定且靈敏度高。
[0004]為此，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0005]—種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，包括一光子晶體平板，所述光子晶體平板的一端設(shè)有輸入波導(dǎo)、另一端設(shè)有輸出波導(dǎo)，光子晶體平板上形成有由線形的第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，所述環(huán)形諧振腔通過線形的過渡波導(dǎo)分別與輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)相耦合；所述第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)的傳輸類型為偶模傳輸或奇模傳輸，且第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)的波導(dǎo)類型不相一致；所述過渡波導(dǎo)的傳輸類型為偶模傳輸。
[0006]進(jìn)一步地，所述諧振腔的形狀為矩形或菱形。
[0007]進(jìn)一步地，所述光子晶體平板包括一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的基板，所述基板上刻蝕有由間隔直線排列的大空氣孔和小空氣孔形成的空氣孔陣列，其中相鄰的一個(gè)大空氣孔和一個(gè)小空氣孔形成一個(gè)初基元胞，所述初基元胞內(nèi)填充有多個(gè)散射子。
[0008]進(jìn)一步地，所述初基元胞內(nèi)填充有兩個(gè)散射子。
[0009]進(jìn)一步地，所述光子晶體平板的晶格結(jié)構(gòu)為雙原子正方晶格。
[0010]進(jìn)一步地，所述大空氣孔的半徑為0.32a，小空氣孔的半徑為0.20a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)。
[0011]進(jìn)一步地，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是由銻化銦半導(dǎo)體材料制作成的介質(zhì)波導(dǎo)，寬度為2a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果在于:1)采用多原子光子晶體，與單原子光子晶體相比較，多原子光子晶體具有更高的拓?fù)渥杂啥?。利用多原子光子晶體的特性可以形成不同的線缺陷波導(dǎo)，設(shè)計(jì)出符合要求的各種環(huán)形諧振腔，而且還可以通過調(diào)整不同散射子的位置、形狀和折射率來優(yōu)化傳感器的性能，也可以改變晶格結(jié)構(gòu)來優(yōu)化傳感器的性能。2)本實(shí)用新型生化傳感器的核心部件是由不同分支波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，器件的工作頻率主要是由兩種傳輸類型的分支波導(dǎo)色散曲線的交點(diǎn)決定的，當(dāng)環(huán)形諧振腔的大小尺寸發(fā)生變化時(shí)，器件的中心工作頻率基本不變。因此，在基板面積不變的條件下，可以采用較大的環(huán)形諧振腔，有利于形成較大的有效敏感面積，與此同時(shí)也有利于抵抗結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)器件工作性能的影響。3)本實(shí)用新型提出的生化傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、敏感度高，易于集成、操作方法簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于各種生化檢測(cè)的場(chǎng)景中。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為圖1的A部局部放大圖；
[0015]圖3為實(shí)施例1中兩種不同傳輸類型的分支波導(dǎo)的色散關(guān)系圖譜；
[0016]圖4為實(shí)施例1環(huán)形諧振腔的諧振頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；
[0017]圖5為實(shí)施例1生化傳感器的傳輸系數(shù)圖譜；
[0018]圖中，1-光子晶體平板，2-輸入波導(dǎo)，3-輸出波導(dǎo)，4-第一分支波導(dǎo)，5-第二分支波導(dǎo)，6-第三分支波導(dǎo)，7-第四分支波導(dǎo)，8-過渡波導(dǎo)，9-大氣孔，10-小氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]如圖1-2所示，一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，包括一光子晶體平板1，光子晶體平板I的一端設(shè)有輸入波導(dǎo)2、另一端設(shè)有輸出波導(dǎo)3，光子晶體平板I上形成有由線形的第一分支波導(dǎo)4、第二分支波導(dǎo)5、第三分支波導(dǎo)6和第四分支波導(dǎo)7構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，該環(huán)形諧振腔為矩形，且該環(huán)形諧振腔通過線形的過渡波導(dǎo)8分別與輸入波導(dǎo)2和輸出波導(dǎo)3相耦合；其中，第一分支波導(dǎo)4和第三分支波導(dǎo)6的傳輸類型為奇模傳輸，第二分支波導(dǎo)5和第四分支波導(dǎo)7的傳輸類型為偶模傳輸，過渡波導(dǎo)8的傳輸類型為偶模傳輸；輸入波導(dǎo)2和輸出波導(dǎo)3是由銻化銦半導(dǎo)體材料制作成的介質(zhì)波導(dǎo)，寬度為2a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)；
[0021]光子晶體平板I包括一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的基板，所述基板上刻蝕有由間隔直線排列的大空氣孔9和小空氣孔10形成的空氣孔陣列，其中相鄰的一個(gè)大空氣孔和一個(gè)小空氣孔形成一個(gè)初基元胞，所述初基元胞內(nèi)填充有兩個(gè)散射子，光子晶體平板I的晶格結(jié)構(gòu)為雙原子正方晶格；且大空氣孔9的半徑為0.32a，小空氣孔10的半徑為0.20a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)。
[0022]使用時(shí)，將整個(gè)光子晶體平板I裝入試劑盒中，利用光纖將輸入波導(dǎo)2和輸出波導(dǎo)3分別與光源和光譜儀進(jìn)行耦合。然后將生化物質(zhì)注入試劑盒中，使生化物質(zhì)填充到光子晶體平板I的各個(gè)空氣孔中，光脈沖由輸入波導(dǎo)2引入，在與光子晶體平板I諧振腔上的生化物質(zhì)相互作用后由輸出波導(dǎo)3引出，注入光譜儀后分析頻率偏移量。本實(shí)用新型中，由于環(huán)形諧振腔由兩種不同傳輸類型的分支波導(dǎo)構(gòu)成，器件的工作頻率主要是由兩種分支波導(dǎo)色散曲線的交點(diǎn)決定的，當(dāng)環(huán)形諧振腔的大小尺寸發(fā)生變化時(shí)，器件的中心工作頻率基本不變，從而有效提高了傳感器性能的穩(wěn)定性和靈敏度，能夠廣泛應(yīng)用于各類生化檢測(cè)中。
[0023]圖3是利用平面波展開法計(jì)算出的實(shí)施例1兩種傳輸類型的分支波導(dǎo)的色散關(guān)系結(jié)果，其中實(shí)線線條代表奇模傳輸波導(dǎo)，虛線線條代表偶模傳輸波導(dǎo)，由圖中可以看出，在空氣線以下，這兩種波導(dǎo)有一個(gè)共同的交點(diǎn)，該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歸一化頻率為0.3099，在本實(shí)施例中我們把這個(gè)交點(diǎn)選取為工作點(diǎn)。利用時(shí)域有限差分法，我們計(jì)算了沒有輸入和輸出波導(dǎo)時(shí)環(huán)形諧振腔的諧振頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖4所示，從中可以看出諧振頻率和圖3中的理論值吻合的很好。最后我們利用時(shí)域有限差分法測(cè)試了實(shí)施例1生化傳感器的傳感性能，對(duì)比的兩種生化物質(zhì)的折射率分別等于1.0和1.335，圖5是分別注入上述兩種生化物質(zhì)時(shí)生化傳感器的傳輸系數(shù)，從中可以看到峰值對(duì)應(yīng)的歸一化頻率發(fā)生了明顯的偏移。
[0024]實(shí)施例2
[0025]實(shí)施例2的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其與實(shí)施例1的不同之處在于，環(huán)形諧振腔為菱形，且第一分支波導(dǎo)和第三分支波導(dǎo)為偶模傳輸波導(dǎo)，第二分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)為奇模傳輸波導(dǎo)。
[0026]實(shí)施例3
[0027]實(shí)施例3的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其與實(shí)施例1的不同之處在于，第一分支波導(dǎo)為奇模傳輸波導(dǎo)，第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)為偶模傳輸波導(dǎo)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，包括一光子晶體平板，所述光子晶體平板的一端設(shè)有輸入波導(dǎo)、另一端設(shè)有輸出波導(dǎo)，光子晶體平板上形成有由線形的第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，所述環(huán)形諧振腔通過線形的過渡波導(dǎo)分別與輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)相耦合；所述第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)的傳輸類型為偶模傳輸或奇模傳輸，且第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)的波導(dǎo)類型不相一致；所述過渡波導(dǎo)的傳輸類型為偶模傳輸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述諧振腔的形狀為矩形或菱形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述光子晶體平板包括一個(gè)由半導(dǎo)體材料制成的基板，所述基板上刻蝕有由間隔直線排列的大空氣孔和小空氣孔形成的空氣孔陣列，其中相鄰的一個(gè)大空氣孔和一個(gè)小空氣孔構(gòu)成一個(gè)初基元胞，所述初基元胞內(nèi)填充有多個(gè)散射子。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述初基元胞內(nèi)填充有兩個(gè)散射子。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述光子晶體平板的晶格結(jié)構(gòu)為雙原子正方晶格。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述大空氣孔的半徑為0.32a，小空氣孔的半徑為0.20a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是由銻化銦半導(dǎo)體材料制作成的介質(zhì)波導(dǎo)，寬度為2a，其中a為光子晶體晶格常數(shù)。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于多原子光子晶體環(huán)形諧振腔的生化傳感器，包括一光子晶體平板，所述光子晶體平板的一端設(shè)有輸入波導(dǎo)、另一端設(shè)有輸出波導(dǎo)，光子晶體平板上形成有由線形的第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，所述環(huán)形諧振腔通過線形的過渡波導(dǎo)分別與輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)相耦合；所述第一分支波導(dǎo)、第二分支波導(dǎo)、第三分支波導(dǎo)和第四分支波導(dǎo)的傳輸類型為偶模傳輸或奇模傳輸，且各分支波導(dǎo)的波導(dǎo)類型不相一致。本實(shí)用新型提出的生化傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、敏感度高，易于集成、操作方法簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用在各種生化檢測(cè)的場(chǎng)景中。
【IPC分類】G01N21/17
【公開號(hào)】CN204903380
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520644139
【發(fā)明人】王道斌, 元麗華, 雷景麗, 武剛, 侯尚林
【申請(qǐng)人】蘭州理工大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月24日