专利名称：一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器的实现方法，属于微型传感器技术领域。
背景技术：
光传感器由于具有不受电磁干扰、灵敏度高等优点，已引起人们的广泛兴趣。新型光学微传感器能够准确测定周围介质的物理、化学、生物性质，它的设计对于实际应用和科学研究具有重要意义。光学传感的一种流行方式是探测折射率的值及其变化，能够提供实时的检测结果和最小的样本准备，而且不需用荧光标记，具有显著的商业前景(文献1，王向字.光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用.机械与电子.卷31. 2008，3 :90-91)。光子晶体是一个良好的纳米光电器件制作平台。复杂的能带结构使其具有强色散和各向异性等特异性质，能够很好地操控光子的行为。如自准直效应，是在不借助任何非线性效应的情况下，光束在光子晶体中能够克服发散或衍射加宽效应而显示出几乎完全准直的传播特性。光子晶体传感器使用微电子机械加工技术制作而成，与传统的商业集成光传感器相比，其大小要小约三个数量级(文献1，王向字.光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用.机械与电子.卷31. 2008，3 :90-91)。到目前为止，光子晶体传感器主要有压力传感器(文献2，Trong Thi Maia, and Fu-Li Hsiao. “ Optimization and comparison of photonic crystal resonators for silicon microcantilever sensors" . Sensors and Actuators. Vol 6836. 2010 :10-20 禾口文献 3, Harneet Gahir Thakur, Sandipan Nalawade. " Polarization maintaining index-guided photonic crystal fiber sensor for slowly varying pressure measurement " . Optics & Laser Technology. Vol 42. 2010 :1139-1144)，、湿度传感器 (文献 4, injie Shi, Vincent K. S. Hsiao. " Humidity sensing based on nanoporous polymeric photonic crystals" . Sensors and Actuators B. Vol. 29. 2008 :391-396),折身寸率传感器(文献 5, Xiaoling Wang, Zhenfeng Xu, and Naiguang Lu. " Ultracompact refractive index sensor based on microcavity in the sandwiched photonic crystal waveguide structure" . Optics Communications. Vol 281. 2008 :1725-1731)和生物传感器(文献6,Fu-Li Hsiao,Chengkuo Lee. " Novel Biosensor Based on Photonic Crystal Nano-Ring Resonator" . Procedia Chemistry Vol. 1. 2009 :417-420)等等。其中，光子晶体生物传感器在生物检测中具有体积小，高灵敏度，高选择性，实时性，免标签等优良特性越来越受到重视，因此光子晶体传感器在生物检测应用中具有巨大优势和潜力，所以近年来得到了广泛的研究同时也得到了很多有创造性的研究成果。例如，Skivesen等人在 2007年提出的利用平面光子晶体波导传感器进行蛋白质检测(文献7，Skivesen, N. Tetu, A.Kristensen, Μ. Kjems, J. “ Protein detection with a planar photonic-crystal sensor, 〃 IEEE,the International Quantum Electronic Conference,17,,06,2007.),
3Yunbo Guo等人在2009年提出以一维光子晶体传感器进行实时的，免标签的蛋白质检测 (文献 8, Yunbo Guo, Thommey P. Thomas, Jing Yong Ye, Andrzej Myc, “ Real-time, Label-free Protein Binding Detection with a One Dimensional Photonic Crystal Sensor" , IEEE, Lasers and Electro-Optics. 28，08，2009)，还有 Mindy R. Lee 于 2008 年提出的应用二维光子晶体微腔传感器来进行病毒检测的(文献9，M. R. Lee, B. L. Miller, and P. Μ. Fauchet, " Two-Dimensional Photonic Crystal Microcavity Sensor for Single Particle Detection," in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, OSA Technical Digest(CD)(Optical Society ofAmerica,2008), paper CThJ6.)。生物医学传感器广泛应用于临床医学和生物学研究中的各种生理参数测量，是各种医疗诊断仪器的重要组成部分。这类传感器可以在体侵入式或非体侵入式连续监测各种重要的生理参数，也可以用于离体检测，辅助临床诊断。在确保医疗保健服务质量的前提下，未来临床医学的发展方向是降低费用、提高效率、尽可能提供低成本高质量的服务，而光子晶体传感器恰好满足这些要求。如Mehmet A. Dundar和Els C. I. Ryckebosczh 在2010年提出的以渗透和注入被分析物为检测手段的光子晶体生物传感器(文献 10, “ Sensitivities of InGaAsP photonic crystal membrane nanocavities to hole refractive index"，1 March 2010/Vol. 18, No. 5/0PTICSEXPRESS 4049)。生物检测要求光子晶体传感器具有响应速度快，灵敏度高，无标签，检测样本少等特点，而现有的关于光子晶体传感器的研究均具有响应速度快和无标签等优势(文献 11， “ Photonic crystal microcavity sensor for ultracompact monitoring of reaction kinetics and protein concentration" ,5June 2009，Sensors and Actuators B =Chemical)，但在提高灵敏度和降低检测样本方面还需要改进，本文提出了一种新型的光子晶体传感器结构，在测量分析物时比同类光子晶体生物传感器拥有更高的灵敏度，而且进行优化后并用于生物分子检测拥有更简单的结构，易于设计与实际应用，同时所需的检测样本更少，所以该结构更适用于生物检测。
发明内容
本发明提出了一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器。该光子晶体传感器可以在半导体材料基板(SOI)上通过光深度刻蚀法等制作技术制备出二维光子晶体平板耦合腔结构，并通过微注入技术在耦合腔中注入分析物，当腔内的环境改变时，光子晶体的有效折射率改变，导致透射谱中的峰值发生偏移，因此通过观察透射谱中透射峰的偏移可以实现对腔内分析物的检测。在本发明的光子晶体传感器中，将两条光子晶体Wl波导与光子晶体微腔结合形成耦合腔结构，通过仿真软件对其场图和透射谱进行仿真，得出光强在光子晶体波导和耦合腔中的变化情况和光经过光子晶体传感器后的透射谱，从结果可以看出经过结构优化后的光子晶体传感器在传感性能方面得到提高，与同类光子晶体生物传感器灵敏度较高，而且耦合腔的变化会引起灵敏度的变化。本发明的目的可通过如下措施来实现
一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器的实现方法，其中该光子晶体传感器是基于三角晶格二维光子晶体平板耦合腔结构实现的，其中二维光子晶体平板耦合腔结构可以在半导体材料基板(SOI)上通过光深度刻蚀法等制作技术制作。所述的光子晶体传感器是由两条光子晶体Wl波导和一个耦合腔构成，其中两条 Wl波导包括输入波导和输出波导，宽度为Λ^α，a是三角晶格光子晶体的晶格常数。所述二维光子晶体平板中，三角晶格的晶格常数a = 460nm，初始空气孔的半径r =138nm，介质硅的折射率nsi = 3. 50。所述的光子晶体传感器中的波导与耦合腔高效耦合是通过两个方面的参数设计完成的，一是改变平板上所有的空气孔的半径r ；二是改变光源的中心频率ω0。所述的平板上空气孔半径r = 158. 7nm。所述的光源的中心频率ω。= 0. 228(2 π c/a)。所述的提高传感器性能是通过两个方面的设计完成的，一个是为达到传感目的改变波导与耦合腔之间的两排空气孔的半径r2;二是为提高灵敏度改变中心空气孔的半径所述的中心空气孔半径巧=138nm。所述的波导与耦合腔之间的两排空气孔的半径r2 = 163. 3nm.所述光子晶体液体传感器的折射率灵敏度(S)可以示为S = Δ λ/Δη，其中 Δ λ是谐振波长峰值的偏移量；Δη是感知区域内折射率的变化量。当感知区域内折射率发生变化时，耦合腔的谐振频率也随之发生偏移，通过测量和分析透射谱中谐振波长峰值的偏移变化，即可得到光子晶体传感器的灵敏度。与传统方法相比本发明有如下优点为了准确地进行医学监测，传感器的设计和实用必须满足严格的要求。一般，新开发的生物医学传感器首先需要进行离体测试，评价其精度、测量范围、响应时间、灵敏度、分辨率和重复性等指标。然后，还要根据具体的应用情况，进行在体测试，确保传感器的各项技术指标达到要求，使其能够提供灵敏、稳定、安全、高效的测量。与传统使用的生物传感器材料如金属和聚合物相比，光子晶体传感器对于开发高灵敏度、高选择性生化检测方法具有重要的作用，而且具有体积小、灵活、不受电气干扰等优点，因此能与含有被分析物的流体细胞方便地结合，并且能够对其周围微环境的变化产生即时响应。光子晶体生物传感器可以实现无标签检测，与传统生物传感器相比，无标签不需要昂贵而复杂的标签过程，也不会影响生化检测结果。本发明的光子晶体传感器实现方法中，与传统的光子晶体生物传感器实现方法相比结构更为精简，容易制作加工，而且所需要的分析物更少，此外，在结构更为精简的基础上，传感器的灵敏度有进一步的提高，而且，通过合理的参数调试，使得波导与耦合腔能高效耦合，有利于稳定输出和实际检测。为了进一步提高灵敏度，可以通过调节中心空气孔的半径改变腔的有效作用区域改变灵敏度。
以下各图所取的光子晶体传感器的结构参数均与具体实施方式
中相同。
图1是本发明中的光子晶体传感器结构模型示意图，其中包含了输入波导、输出波导和一个与之高效耦合的光子晶体耦合腔。耦合腔由周围沿六边形移去的六个空气孔组成，六边形内只有一个空气孔；晶格常数a = 460nm，普通空气孔半径r = 138nm，光子晶体平板厚度T = 220nm，介质硅的折射率nsi = 3.50。其中，蓝色区域是传感器的有效感知区域。图2是当光源的中心频率ω。= 0. 30 ( π c/a)时，r =巧=r2 = 138nm时稳态状态下电场在χ-y平面内的场图分布。图 3 是当光源的中心频率 ω。= 0. 228 ( π c/a)时，r = r2 = 158. TnmjT1 = 138nm 时稳态状态下电场在χ-y平面内的场图分布。图4是本方案中所提及的光子晶体生物传感器在检测不同生物分子时，即改变中心孔内折射率后对应不同的折射率且r = r2 = 158. 7nm, Γι = 138nm(即0. 3a)时的透射谱；它分别对应折射率η = 1. 40、1. 49、1. 55、1. 66的透射谱，其对应的曲线的颜色分别为红色、蓝色、绿色和黄色。其中，b图是对a图谐振峰部分的放大图。图5是当r = r2 = 158. 7nm, Γι = 138nm(即0. 3a)时，用于生物检测的光子晶体传感器中耦合腔内感知区域折射率与相应谐振波长的关系曲线；其中蓝色星点表示利用 2D-FDTD方法计算得到的仿真数值，红色实线表示相应的线性拟合结果。图6是对应于不同中心空气孔半径A时不同的灵敏度S。图7是r = r2 = 158. 7nm, T1 = 143. 5nm(即0. 312a)时，改变中心空气孔折射率后分别对应的透射谱，b图是对a图谐振峰部分的放大图。图8是r = r2 = 158. 7nm, Γι = 143. 5nm(即0. 312a)时，用于生物检测的光子晶体传感器中耦合腔内感知区域折射率与相应谐振波长的关系曲线；其中蓝色星点表示利用 2D-FDTD方法计算得到的仿真数值，红色实线表示相应的线性拟合结果。
具体实施例方式在根据本发明的实施中，为了减少光强在波导方向上的泄露和实现波导与耦合腔的高效耦合，提出一种新型光子晶体生物传感器，结构模型如图1所示。本发明的光子晶体生物传感器先调整两条光子晶体波导，在入波导的后半段和出波导的前半段填充空气孔， 以减少在波导上面传播的光强的泄露，增强进入耦合腔的光强。然后大幅调整耦合腔结构， 将环形六边形所包含的局域减少，只包含一个孔，从而大大增强耦合腔对光的局域能力，提高波导与耦合腔之间的耦合性能。由于生物检测需要高灵敏度、高分辨率和实时性，因此光子晶体传感器的出波导的光强强弱对于测量结果和测量过程有很大影响，而出波导的光强跟波导与耦合腔的耦合性能有直接关系。为了完成光子晶体生物传感器的设计，在已确定的基本结构基础上，需要调整腔和波导的结构参数及光源的参数。为了进一步提高传感器的灵敏度，继续调整腔的大小，即中心空气孔半径下面是光子晶体生物传感器的具体设计过程。(1)为提高耦合腔的性能，并使得该结构具有良好的光局域能力，首先要调节的是平板上的空气孔半径r和光源中心频率ω —在根据本发明的实施中，改变平板上空气孔的半径r对光子晶体结构的场图有很大的影响，利用仿真软件可以仿真出不同情况下光子晶体的场图。当输入光源是中心频率 =0.3 (2 π c/a)的高斯光源，r = 0. 3a时，稳态状态下电场在χ-y平面内的平面分布图如图 2所示。从图2可以看出，两条光子晶体波导与耦合腔存在耦合现象，能应用于生物传感，可以开发成光子晶体液体传感器进行生物检测。但是，从图2可以看出，在耦合腔中和出波导上的电场强度比较弱，不利于实际检测，因此调整其它空气孔的半径r，而中心孔半径即腔的半径η保持不变，以获得更强的局域性能。调整r在0. 34a到0. 35a之间波动，因为通过调整r发现当r = 0. 35a时调整r 电场的变化最大，而且增大和减小r电场的分布情况基本是对称的，故分别令r = 0. 342a, 0. 343a, 0. 345a, 0. 346a, 0. 348a, 0. 35a, 0. 355a,观察当输入光源中心频率 ω Q = 0. 3 Q π c/ a)的高斯光源时，稳态状态下电场在x_y平面内的平面分布。通过比较不同空气孔半径r 的电场平面分布，得出当r = 0. 345a时，光子晶体波导与耦合腔耦合得最好。当输入光源是中心频率= 0. 3 (2 π c/a)的高斯光源时，出波导上的电场明显偏弱，说明耦合腔与出波导耦合得不是很好，影响到出光的光强强弱，不能满足生物传感器的要求，为实现输入波导、耦合腔和输出波导三者之间的完美耦合因此还需要调整光源的参数。分别选择中心频率ω0 = 0. 2257(2 π c/a) ,0. 2269(2 π c/a) ,0. 228(2 π c/a)和 0.23lW2Jic/a)，结果表明，当=时，耦合腔与出波导耦合得最好。当输入光源是中心频率《。= 0. 228(2 π c/a)的高斯光源，r = 0. 345a，rl = 0. 3a时稳态状态下电场在x_y平面内的平面分布图如图3所示。从图3可以看出光子晶体中的入波导、 耦合腔和出波导三者之间完美耦合，而且波导两侧的泄露比图2有所减少，光被局域在波导与耦合腔中传播，十分有利于进行传感检测。在分别调节光子晶体结构以及光源的中心频率后，实现了波导与耦合腔的高效耦合，因此可以实现用于生物检测的光子晶体生物传感器的开发。利用仿真软件对光通过光子晶体传感器的透射谱进行仿真分析。当输入光源是中心频率= 0. 228(2 π c/a)的高斯光源，r = 0. 345a, rl = 0. 3a时，分析透射谱发现，透射谱中出现了多个谐振峰，不利于实现传感，为改善透射谱，使得透射谱中只有一个谐振峰，改变波导与耦合腔的结构。接下来是调整光子晶体波导与耦合腔之间的两排空气孔半径r2。在本发明的实施中，为实现传感检测，使得透射谱中只有单一谐振峰，调整光子晶体波导与耦合腔之间的两排空气孔半径r2的。令r2在0. 345a左右调整，观察透射谱中的透射峰数目的变化，可以得到，当r2 = 0. 355a时，透射谱中只有单一透射峰。综上所述，在本发明中提出的用于生物检测的光子晶体液体传感器的基本结构是，光子晶体平板上的空气孔半径r = 0. 345a,中心空气孔半径巧=0. 3a，波导与耦合腔之间的两排空气孔半径巧=0. 35 ，选择输入光源是中心频率ω。= 0. 228(2 π c/a)的高斯光源。在此基础上，分别改变中心孔的折射率n，同时观察透射谱中谐振峰的偏移。(2)为提高光子晶体生物传感器性能，测量传感器的灵敏度并调整中心空气孔半径巧以提高灵敏度。首先测量光子晶体生物传感器的灵敏度，利用微注入技术向中心孔注入分析物， 改变其折射率n，分别检测折射率为1. 40、1. 49、1. 55和1. 66的分析物。如图4所示，即本发明中对应不同折射率的透射谱的比较。各不同分析物的折射率，谐振波长，谐振峰值，以及所在曲线如下H1=1.40 λ=1547. 69nm，透射峰值T=0. 6708，红色曲线
η2=1.49 λ=1548. 31nm，透射峰值T=0. 6503，蓝色曲线
η3=1.55 λ=1548. 52nm，透射峰值T=0. 6418，绿色曲线
η4=1.66 λ=1549. 36nm，透射峰值T=0. 6015，黄色曲线图4(b)是图4(a)透射峰的放大图，从图4(b)可以看出，当中心孔折射率逐渐增大时，谐振峰发生了红移，在此实施案例中，通过改变光子晶体耦合腔的折射率，可以实现谐振波长的改变，即输出谐振峰的峰值发生偏移，因此可以通过观察谐振峰的峰值变化来检测耦合腔中的被分析物。图5是对检测结果进行线性拟合，可以观察到，谐振峰的偏移与耦合腔内的折射率变化有线性关系。根据公式S= △ λ/Δη计算本发明中的光子晶体传感器的灵敏度得，灵敏度S为6. 287nm/RIU,比文献6中的光子晶体生物传感器的灵敏度4nm/ RIU更高，其中，RIU表示折射率变化量为1。为进一步提高传感器的灵敏度，调整耦合腔的结构。接下来为提高光子晶体传感器的灵敏度，调整中心空气孔半径本发明中的光子晶体传感器是通过观察透射峰的峰值偏移与耦合腔折射率的变化关系实现传感的，因此，耦合腔的性能对传感器的性能影响很大，优良的耦合腔不但能提高传感器的分辨率，还能提高传感器的灵敏度。在本发明的实施案例中，通过调整耦合腔的结构，具体为改变中心空气孔的半径T1以提高传感器的灵敏度。同时为了减少分析物的样本含量，提高单孔注入的效率，可以减少T1。故令Γι在0. 25a到0. 0. 32 之间均勻地取7 个点，分别为 0. 25a,0. 262a,0. 275a,0. 287a,0. 3a,0. 312a 和 0. 325a。当中心空气孔半径T1取不同大小时，分别仿真改变中心空气孔的折射率变化时的投射谱，并根据公式S= △ λ/Δη计算本发明中的光子晶体传感器的灵敏度。经仿真分析得，不同的^对应不同的折射率时的谐振峰波长及透射率如表1所示。表1不同巧下不同η的谐振峰波长与透射率比较
权利要求
1.一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器的实现方法，其中该光子晶体传感器是基于空气孔三角晶格二维光子晶体平板结构，即空气孔硅介质背景结构，其中硅的折射率nsi = 3. 50。在光子晶体平板中引入一个结构简单的谐振腔，只有一个空气孔，能实现单孔注入和减少分析物。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于光子晶体耦合腔的具体设计方法，本方案中谐振腔的设计是通过两个方面来设计完成的，即一是改变光子晶体平板上空气孔的半径；二是改变在波导与耦合腔之间的两排空气孔的半径。
3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在为提高传感器的灵敏度，可以改变耦合腔中心空气孔的半径。
4.根据权利要求2或3所述的实现方法，其特征在于通过测量输出端透射谱中谐振峰的偏移来完成对不同分析物的感知、检测和分析。
5.根据权利要求2或3所述的实现方法，其特征在于具有高灵敏度的传感特性，在检测不同折射率的分析物时，透射率为0. 66，灵敏度为7. 882nm/RIU。
全文摘要
本发明设计一种基于单孔环形谐振腔的光子晶体生物传感器的实现方法。本发明设计一种基于二维光子晶体平板结构，通过设计一个高性能的谐振腔，并使其与光子晶体波导实现高效耦合，完成光子晶体传感器的设计。它的基本结构是基于空气孔三角晶格光子晶体平板结构，主要包括输入波导、输出波导和一个谐振腔。该环形谐振腔中心只有一个空气孔，结构简单，并能实现单孔注入和减少分析物。由于谐振腔与光子晶体波导之间能实现高效耦合，所以能在指定区域内进行有效地分子检测，实现对不同生物分子的感知和识别。该传感器可以通过调整腔的结构以提高传感器的灵敏度。
文档编号G01N21/41GK102305774SQ20111013495
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者田慧平, 纪越峰, 黄家钿 申请人:北京邮电大学