一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于生化传感器技术领域，涉及一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器。
【背景技术】
[0002]光子晶体是近年来受到科学界持续关注的一种人工电磁材料。类似于固态电子晶体，光子晶体中光子的色散关系也呈现出带状结构，带与带之间形成光子带隙，我们称之为光子能带结构，简称能带结构。如果在光子晶体中引入缺陷，则会在光子带隙中引入缺陷态，由此而产生出许多器件方面的应用。而光子晶体又有单原子光子晶体和多原子光子晶体之分。单原子光子晶体是指在初基元胞内只有一个散射子，多原子光子晶体是指在初基元胞内存在多个散射子并且在位置、形状和折射率等参数上存在差异。由于具有更高的拓扑自由度，多原子光子晶体是一个具有更丰富内涵的物理体系。目前，大量的研究工作主要集中在如何利用单原子光子晶体制作性能优良的光电子器件。对多原子光子晶体光学性质及相关器件的研究报导很少，尤其是对它的生化传感器件的研究更为少见。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，该生化传感器性能稳定且灵敏度高。
[0004]为此，本实用新型采用如下技术方案:
[0005]—种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板的一端设有输入波导、另一端设有输出波导，光子晶体平板上形成有由线形的第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔通过线形的过渡波导分别与输入波导和输出波导相耦合；所述第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的传输类型为偶模传输或奇模传输，且第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的波导类型不相一致；所述过渡波导的传输类型为偶模传输。
[0006]进一步地，所述谐振腔的形状为矩形或菱形。
[0007]进一步地，所述光子晶体平板包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔和小空气孔形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔形成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有多个散射子。
[0008]进一步地，所述初基元胞内填充有两个散射子。
[0009]进一步地，所述光子晶体平板的晶格结构为双原子正方晶格。
[0010]进一步地，所述大空气孔的半径为0.32a，小空气孔的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。
[0011]进一步地，所述输入波导和输出波导是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。
[0012]本实用新型的有益效果在于:1)采用多原子光子晶体，与单原子光子晶体相比较，多原子光子晶体具有更高的拓扑自由度。利用多原子光子晶体的特性可以形成不同的线缺陷波导，设计出符合要求的各种环形谐振腔，而且还可以通过调整不同散射子的位置、形状和折射率来优化传感器的性能，也可以改变晶格结构来优化传感器的性能。2)本实用新型生化传感器的核心部件是由不同分支波导构成的环形谐振腔，器件的工作频率主要是由两种传输类型的分支波导色散曲线的交点决定的，当环形谐振腔的大小尺寸发生变化时，器件的中心工作频率基本不变。因此，在基板面积不变的条件下，可以采用较大的环形谐振腔，有利于形成较大的有效敏感面积，与此同时也有利于抵抗结构缺陷对器件工作性能的影响。3)本实用新型提出的生化传感器结构简单、性能稳定、敏感度高，易于集成、操作方法简单，可以应用于各种生化检测的场景中。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
[0014]图2为图1的A部局部放大图；
[0015]图3为实施例1中两种不同传输类型的分支波导的色散关系图谱；
[0016]图4为实施例1环形谐振腔的谐振频率和磁场强度分布图；
[0017]图5为实施例1生化传感器的传输系数图谱；
[0018]图中，1-光子晶体平板，2-输入波导，3-输出波导，4-第一分支波导，5-第二分支波导，6-第三分支波导，7-第四分支波导，8-过渡波导，9-大气孔，10-小气孔。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]如图1-2所示，一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，包括一光子晶体平板1，光子晶体平板I的一端设有输入波导2、另一端设有输出波导3，光子晶体平板I上形成有由线形的第一分支波导4、第二分支波导5、第三分支波导6和第四分支波导7构成的环形谐振腔，该环形谐振腔为矩形，且该环形谐振腔通过线形的过渡波导8分别与输入波导2和输出波导3相耦合；其中，第一分支波导4和第三分支波导6的传输类型为奇模传输，第二分支波导5和第四分支波导7的传输类型为偶模传输，过渡波导8的传输类型为偶模传输；输入波导2和输出波导3是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数；
[0021]光子晶体平板I包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔9和小空气孔10形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔形成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有两个散射子，光子晶体平板I的晶格结构为双原子正方晶格；且大空气孔9的半径为0.32a，小空气孔10的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。
[0022]使用时，将整个光子晶体平板I装入试剂盒中，利用光纤将输入波导2和输出波导3分别与光源和光谱仪进行耦合。然后将生化物质注入试剂盒中，使生化物质填充到光子晶体平板I的各个空气孔中，光脉冲由输入波导2引入，在与光子晶体平板I谐振腔上的生化物质相互作用后由输出波导3引出，注入光谱仪后分析频率偏移量。本实用新型中，由于环形谐振腔由两种不同传输类型的分支波导构成，器件的工作频率主要是由两种分支波导色散曲线的交点决定的，当环形谐振腔的大小尺寸发生变化时，器件的中心工作频率基本不变，从而有效提高了传感器性能的稳定性和灵敏度，能够广泛应用于各类生化检测中。
[0023]图3是利用平面波展开法计算出的实施例1两种传输类型的分支波导的色散关系结果，其中实线线条代表奇模传输波导，虚线线条代表偶模传输波导，由图中可以看出，在空气线以下，这两种波导有一个共同的交点，该交点对应的归一化频率为0.3099，在本实施例中我们把这个交点选取为工作点。利用时域有限差分法，我们计算了没有输入和输出波导时环形谐振腔的谐振频率和磁场强度分布，结果如图4所示，从中可以看出谐振频率和图3中的理论值吻合的很好。最后我们利用时域有限差分法测试了实施例1生化传感器的传感性能，对比的两种生化物质的折射率分别等于1.0和1.335，图5是分别注入上述两种生化物质时生化传感器的传输系数，从中可以看到峰值对应的归一化频率发生了明显的偏移。
[0024]实施例2
[0025]实施例2的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其与实施例1的不同之处在于，环形谐振腔为菱形，且第一分支波导和第三分支波导为偶模传输波导，第二分支波导和第四分支波导为奇模传输波导。
[0026]实施例3
[0027]实施例3的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其与实施例1的不同之处在于，第一分支波导为奇模传输波导，第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导为偶模传输波导。
【主权项】
1.一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板的一端设有输入波导、另一端设有输出波导，光子晶体平板上形成有由线形的第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔通过线形的过渡波导分别与输入波导和输出波导相耦合；所述第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的传输类型为偶模传输或奇模传输，且第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的波导类型不相一致；所述过渡波导的传输类型为偶模传输。2.根据权利要求1所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述谐振腔的形状为矩形或菱形。3.根据权利要求1所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述光子晶体平板包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔和小空气孔形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔构成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有多个散射子。4.根据权利要求3所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述初基元胞内填充有两个散射子。5.根据权利要求4所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述光子晶体平板的晶格结构为双原子正方晶格。6.根据权利要求4所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述大空气孔的半径为0.32a，小空气孔的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。7.根据权利要求6所述的一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，其特征在于，所述输入波导和输出波导是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于多原子光子晶体环形谐振腔的生化传感器，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板的一端设有输入波导、另一端设有输出波导，光子晶体平板上形成有由线形的第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔通过线形的过渡波导分别与输入波导和输出波导相耦合；所述第一分支波导、第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的传输类型为偶模传输或奇模传输，且各分支波导的波导类型不相一致。本实用新型提出的生化传感器结构简单、性能稳定、敏感度高，易于集成、操作方法简单，可以应用在各种生化检测的场景中。
【IPC分类】G01N21/17
【公开号】CN204903380
【申请号】CN201520644139
【发明人】王道斌, 元丽华, 雷景丽, 武刚, 侯尚林
【申请人】兰州理工大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月24日