专利名称：一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法
技术领域：
本发明涉及一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，属于微型传感器技术领域。
背景技术：
随着光学技术和纳米制造技术的成熟和发展，许多不同结构的微型传感器被提出并得到了广泛的研究。到目前为止，微型传感器主要有环形谐振器传感器(文献1， A. B. Matsko, andV. S. Ilchenko, “ Optical resonators with whispering-gallery modes-Part I :Basics， “ IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12，3，2006.禾口文 献 2，Α. Μ. Armani, and K. J. Vahala, “ Heavy waterdetection using ultra-high-Q microcavities, “ Opt. Lett. 31，1896，2006)，回音壁模式传感器(文献 3，F. Vollmer，
D.Braun,A.Libchaber，Μ· Khoshsima，I. Teraoka，and S. Arnold，“ Protein detectionby optical shift of a resonant microcavity, “ Appl. Phys. Lett. 80，4057，2002 禾口文献 4，Α· Μ. Armani, R. P. Kulkarni，S. Ε. Fraser, R. C. Flagan, and K. J. Vahala, “ Label-Free， Single MoleculeDetection with Optical Microcavities，" Science，317，783，2007)，表面等离子共振传感器(文献5，R. Karlsson，" SPR for molecular interaction analysis a review of emerging application areas， “ Journal of Molecular Recognition, 17，151，2004)，光子晶体传感器(文献 6，S. C. Buswell, V. A. Wright, J. Μ· Buriak，V. Van IS. Evoy,"Specific detection of proteins using photonic crystalwaveguides，，，0pt· Express，20，15949，2008 和文献 7，T. Lu and P. T Lee，“Ultra-high sensitivityoptical stress sensor based on double layered hotonic crystal microcavity,"Opt. Express, 3,1518,2009)等等。其中，光子晶体传感器作为一种新的研究领域，由于光子晶体具有抑制自发辐射、体积小、易于集成、低功耗等特性，并有希望应用到微机电系统(MEMS)集成中；除此之外，光子晶体的另一个特性是它具有很小的体积模量，在传感器的应用上，光子晶体还可以实现高灵敏度的检测。由于光子晶体在微型传感器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2004年
E.Chow等人的研究中提出并验证了基于二维光子晶体微腔结构的超紧凑微型生化传感器 (参考文献8,E. Chow,A. Grot,L. W. Mirkarimi,M. Sigalas,and G. Girolami,"Ultracompact biochemical sensor builtwith two-dimensional photonic crystal microcavity", OPTICS LETTERS, 29, 2004) ；2005年0. Levy等人利用光子晶体波导结构研究了超高灵敏度的微位移传感器，但是品质因数却很低(参考文献9，0. Levya, B. Z. Steinberg, Μ. Nathan and A. Boag,"Ultrasensitive displacementsensing using photonic crystal waveguides", APPLIED PHYSICS LETTERS，86，104102，2005)。在随后的几年中基于不同结构的光子晶体传感器相应的被提出，并应用到不用的领域，同时结构也越来越复杂(参考文献 10，Christopher Kangl, and Sharon Μ. Weiss，“Photoniccrystal with multiple-hole defect for sensor applications，，，Opt· Express，16，18188，2008 ；参考文献 11，Shota Kita, Kengo Nozaki and Toshihiko Baba, "Refractive index sensing utilizing a cwphotonic crystal nanolaser and its array configuration", Opt. Express, 16,8174, 2008 ；参考文献 12, Carlos A. Barrios, Maria Jose Banuls, Victoria Gonzalez-Pedro, et al, "Label-free op ticalbi ο sensing with slot-waveguides，，， OPTICS LETTERS，33，2008等)。随着传感技术的发展和实际的应用需要，光子晶体传感器阵列是未来的发展趋势、然而目前的研究还没有提及到光子晶体传感器阵列，只有Sudeep Mandal and David Erickson在2008年提出了类似的微型传感器阵列(参考文献13， Sudeep Mandal and David Erickson, "Nanoscale optofluidic sensorarrays", Opt. Express, 16，1623,2008)。但是上文中提及的传感器阵列是由许多块单排孔光子晶体组合构成的，不是在同一块光子晶体平板�？樯鲜迪值�。在本发明中首次提出将光子晶体传感器阵列在同一块二维光子晶体平板模块上实现，提出了一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列。由于光子晶体禁带微腔结构(参考文献 14，J. S. Foresi, P. R. Villeneuve, J. Ferrera, E. R. Thoen, G. Steinmeyer, S. Fan，J. D. Joannopoulos，L C. Kimerling，H. I. Smith，and E. P. Ippen， “ Photonic bandgap microcavities inoptical waveguides, “ Nature，390，143，1997)會邑够在此基础上进一步减小光场的模式体积，提高品质因数，所以基于光子晶体禁带微腔结构可以实现更高灵敏度的微型传感器(参考文献15，S. C. Buswell, V. A. Wright, J. Μ. Buriak，V. Vanl S. Evoy,"Specific detection of proteins usingphotonic crystal waveguides,"Opt. depress，20，15949，2008)。为了更好的利用光子晶体线缺陷导模频带宽、光子晶体微腔品质因数高的特点，本发明将光子晶体线缺陷结构和光子晶体微腔结构同时应用到光子晶体传感器的设计中，完成可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列的设计。
发明内容
本发明首次提出将光子晶体传感器阵列在同一块二维光子晶体平板模块上实现， 提出了一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列。该光子晶体传感器阵列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微腔结构， 在此基础之上，可以通过微注入技术注入被检测物实现光子晶体微腔周围空气孔内折射率的变化。当光子晶体谐振腔周围的空气孔内折射率发生变化时，透射谱中谐振频率的峰值会相应的发生偏移，从而可以实现对不同折射率被检物质的感知和检测。在利用具有高品质因数的光子晶体微腔结构的基础上，通过沿着Wl波导方向引入多个不同结构参数的光子晶体谐振微腔，并能够使每个谐振微腔与Wi波导能进行很好的耦合，通过微注入技术将被分析物注入到谐振腔附近的空气孔中，改变每个谐振腔周围感知区域内空气孔的折射率，进而可以在同一时间内实现并行感知，完成并行检测。与此同时，通过控制感知区域面积的大�。刺畛浔环治鑫锟掌赘鍪亩嗌伲箍梢允迪植煌槊舳鹊墓庾泳宕衅髡罅�。本发明的目的可通过如下措施来实现—种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列的设计和实现方法，其中该光子晶体传感器阵列是基于三角晶格二维光子晶体平板微腔结构实现的，其中二维光子晶体平板微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。所述可并行感知的光子晶体传感器阵列是由光子晶体波导(Wl波导)和五个互不相同的谐振腔组成的阵列构成，其中Wl波导的宽度为V^a，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 = 423nm，空气孔的半径r = 135. 36nm，光子晶体平板的厚度T = 233nm，介质硅的折射率nsi = 3. 48。所述五个光子晶体微腔是通过两个方面的参数变化来设计完成的，一是在水平方向上往相反的方向分别以不同的程度向外平移相邻的两个空气孔；二是改变谐振腔附近个别空气孔的半径。通过具体设计每个谐振腔的参数，使得每个谐振腔的谐振频率彼此能够分开并且都位于由线缺陷所产生的导模所覆盖频率范围之内，以便透射谱的测量和分析。所述光子晶体生化传感器阵列的折射率灵敏度⑶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，谐振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本方案中所提及的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列是一种基于二维光子晶体平板结构，通过设计具有不同谐振频率的谐振腔阵列，并能够使各谐振腔与光子晶体波导之间实现高效耦合来设计完成的，首次提出将光子晶体传感器阵列在同一块二维光子晶体平板�？樯鲜迪帧３斯庾泳灞旧硭哂械奶寤∫子诩�、损耗小、功耗低、光场局域等优点之外，本方案中所陈述的光子晶体生化传感器阵列主要有以下几个优点1、本方案中所提及的光子晶体传感器阵列实现并行感知的原理是基于谐振腔与光子晶体波导之间的高效耦合实现的。所述光子晶体波导是普通的线缺陷波导，所述谐振腔是由平移空气孔的位置和改变空气孔的半径设计完成的，结构相对简单，在实际应用过程中可减小由于结构复杂带来的误差；2、本方案中通过采用微注入技术可以通过控制感知区域面积的大�。刺畛浔环治鑫锏目掌赘鍪亩嗌伲迪志哂胁煌槊舳鹊墓庾泳宕衅鳎涣硗獾碧畛浔环治鑫锏目掌椎母鍪】赡苌偈保部梢允迪指椭柿康谋环治鑫锏募觳庥敕治觯春姆迅俚难防赐瓿上嘤Φ募觳夂头治觯�3、本方案中通过合理的设计谐振腔的结构参数，使各个谐振腔的谐振频率都处于Wl波导光子晶体导模所覆盖的频率范围之内。可以保证输出端光强足够强，有利于实际探测和测量；4、本方案中所提及的光子晶体传感器阵列在能够充分利用光子晶体禁带中的导模特性和光子晶体微腔的局域特性的基础上，能够实现对小体积被分析物的并行感知。本发明的原理如下本方案中一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列是基于二维光子晶体波导与高品质因数微腔阵列之间高效耦合实现的。其基本原理是当在光子晶体波导附近引入谐振腔阵列后，由于波导与谐振腔之间的耦合作用，导模中处于谐振频率处的光就会局域到谐振腔内，当耦合强度很高时，透射谱中导模范围内处于谐振频率处的透射强度就会出现一个明显的下坠。如果在此基础上改变谐振腔周围感知区域内的折射率，那么谐振腔的谐振频率就会改变，就会导致输出端透射谱中谐振峰值的偏移，通过测量分析谐振峰值偏移量的大小与折射率变化的大小关系，根据公式S= Δ λ/Δη，可以得到相应光子晶体传感器阵列的灵敏度，其中，其中△ λ是谐振波长峰值的偏移量；Δη是检测区域内折射率的变化量。所以当在光子晶体波导附近引入多个不同的谐振腔之后，并且使得所有的谐振频率都位于导模所覆盖的频率范围之内，由于不同谐振腔对应的谐振频率不同，并且各谐振腔的谐振频率彼此之间相互独立，相互间隔互不影响，所以透射谱中会产生与谐振腔个数相等的下坠，即可以实现可并行感知的光子晶体传感器阵列。
以下各图所取的光子晶体生化传感器阵列的结构参数均与具体实施方式
中相同。图1是光子晶体生化传感器阵列中单个传感元件的结构模型示意图，其中包含了 Wl光子晶体波导和一个与之高效耦合的光子晶体谐振腔。谐振腔由相邻的四个空气孔组成，其中红色空气孔的半径为！^，绿色空气孔的半径为& ；晶格常数a = 423nm，普通空气孔半径r = 135. 36nm，光子晶体平板厚度T = 233nm，介质硅的折射率nsi = 3. 48。图2 (a)是当光源的中心频率= 0. 25 O π c/a)时，稳态状态下电场在χ-y平面内的场图分布。图2(b)是当光源的中心频率= 0. 25 O π c/a)时，稳态状态下电场在y_z平面内的场图分布。图3是利用3D-FDTD方法计算得到的与图2对应的输出端的透射谱，其中(b)图是(a)图中虚线区域内对应的放大结果。图4是光子晶体传感器结构1中sx从sx = 0. 15a增加到sx = 0. 35a时，光子晶体传感器输出端透射谱曲线图。图5(a)是基于图1结构利用3D-FDTD方法计算得到的质量灵敏度(Δ λ /N))与有效作用空气孔个数(N)的关系曲线；其中内插图中橙色的圆点表示有效作用的空气孔， 即填充被分析物的空气孔；紫色线圈表示通过仿真计算得到的不同N的情况下对应的质量灵敏度(△ λ/Ν))；红色实线表示适合分析该结构模型的指数拟合曲线。图5(b)是在不同情况下，有效作用空气孔个数(N = 2,4,6,15，28)对应的填充示意图。图6是当有效作用空气孔个数(N = 2,4,6,15，28)的不同条件下与谐振波长的偏移量对应的关系曲线；其中绿色的圆点表示在不同的N的情况下，利用3D-FDTD方法计算得到的谐振波长的偏移量；红色实线表示通过a · ebN+c · edN拟合得到的指数拟合曲线，其中 a,b,c,d 都是常数，各自的取值分别为 a = 38. 24，b = 0. 0121，c = -38. 13，d = -0. 5796。图7是本方案中所提及的光子晶体生化传感器阵列的结构模型示意图；它是由Wl 光子晶体波导和五个与之高效耦合的光子晶体谐振腔构成。其中在每个腔的周围(红色阴影区域)有效作用空气孔的个数N = 6。图8是与图7对应的在不同折射率的情况下，光子晶体生化传感器阵列输出端对应的透射谱；其中红色曲线表示五个谐振腔的有效感知区域内被填充的是空气= 1. 0， 蓝色曲线表示只有谐振腔(HO-cavity-3)的有效感知区域内被填充了去离子水nwatCT = 1. 33，而其它谐振腔的有效感知区域内填充的依然是空气，没有变化。图9是光子晶体生化传感器阵列中谐振腔周围有效感知区域内折射率变化与相应谐振波长偏移量的关系曲线；其中蓝色圆点表示利用3D-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。
具体实施例方式光子晶体生化传感器阵列中单个传感元件的结构模型如图1所示，其中包含了 Wl 光子晶体波导和一个与之高效耦合的光子晶体谐振腔。谐振腔由相邻的四个空气孔组成， 其中红色空气孔的半径为rx，绿色空气孔的半径为ry ；晶格常数a = 423nm，其它空气孔半 Sr= 135. 36nm,光子晶体平板厚度T = 233nm,介质硅的折射率nsi = 3. 48，sx表示HO腔中空气孔的偏移位移的大小。当HO腔的结构参数rx，ry，sx中任何一个参数发生变化时， 谐振腔的谐振频率都会随之变化。因此可以通过合理的设计各个谐振腔的参数来构成光子晶体传感器阵列的基本结构。当输入光源是中心频率GJci = 0. 25(2 Ji c/a)的高斯光源，sx = 0. 2a, rx = ry = r时，稳态状态下电场的空间分布图如图2所示。其中图2(a)是稳态状态下电场在χ-y平面内的场图分布；图2 (b)是稳态状态下电场在y_z平面内的场图分布。从图2可以看出在 x-y水平平面内，电场被很好的局域在光子晶体波导区域内(图2(a))，在y-z竖直平面内电场的大部分能量都被局域在硅板区域内，竖直方向的泄漏损失很小图0(b))。图3是利用3D-FDTD方法计算得到的与图2对应的输出端的透射谱。从图2和图3中可以发现Wl 光子晶体波导与HO腔之间存在耦合现象，并且耦合强度也非常强。所以基于Wl光子晶体波导和耦合腔组成的传感结构，可以实现具有高品质因数的光子晶体传感器阵列开发。为了实现光子晶体生化传感器阵列结构设计，首先要调节的是HO腔的结构参数。(I)HO腔中空气孔位移参数sx的调节当SX的取值不同时，谐振腔的谐振频率也不相同。而且随着sx数值的增加，当sx 从SX = 0. 1 增加到SX = 0. 35a时，谐振腔的谐振频率向低频方向偏移，即发生了红移， 同时谐振强度也不相同。当sx从sx = 0. 1 增加到sx = 0. 35a时，光子晶体传感器输出端透射谱如图4所示；从图4中可以看出当sx在0. 15a到0. 25a之间变化时，透射谱中谐振频率出的下坠幅度很大，这说明谐振腔与Wl波导之间的耦合强度高，品质因数高；当 sx大于0. 25a时，透射谱中谐振频率出的下坠幅度较�。馑得餍痴袂挥隬l波导之间的耦合强度低，品质因数低。然而，从图4中也可以看出，当sx在0. 15a到0. 25a之间变化时， 虽然透射谱中谐振频率出的下坠幅度很大，谐振腔与Wl波导之间的耦合强度高，品质因数高，但是不同谐振频率之间的间隔比较�。荒苈闶迪执衅髡罅械囊�。所以为了解决上述的局限性，在sx在0. 15a到0. 2 之间变化的基础上，还要进一步调节HO腔的结构参
^C *χ，Ty ο(2)HO腔中空气孔半径rx和ry的调节为了增加各谐振腔对应的谐振频率之间的间隔，使它们在透射谱中不相互重叠， 并能满足光子晶体传感器阵列的要求，需要进一步调节HO腔中空气孔半径rx和ry。与调节HO腔中空气孔位移参数sx的变化规律相似，当rx和ry的取值不同时，谐振腔的谐振频率也不相同。而且随着rx和ry数值的减小，谐振腔的谐振频率向低频方向偏移，即发生了红移，同时谐振强度也不相同。除此之外，谐振腔的谐振频率的偏移对HO腔中气孔半径变化更为敏感，即只要略微改变HO腔气孔的半径，谐振腔的谐振频率就会发生很大的红移。
综上所述，通过优化设计光子晶体传感器阵列中谐振腔的结构参数，为了保证光子晶体传感器阵列输出端透射谱中，各谐振腔对应的谐振频率彼此能相互分开一定间隔， 光子晶体传感器阵列中各个谐振腔的结构参数具体可设置如下HO-cavity-1 :sx = 0. 15a = 63. 45nm, rx = ry = 0. 32a = 135. 36nm。H0-cavity-2 :sx = 0. 20a = 84. 6nm, rx = 0. 32a = 135. 36nm, ry = 0. 30a = 126. 9nm。H0-cavity-3 :sx = 0. 20a = 84. 6nm, rx = ry = 0. 32a = 135. 36nm。H0-cavity-4 :sx = 0. 20a = 84. 6nm, rx = 0. 28a = 118. 44nm, ry = 0. 30a = 126. 9nm。H0-cavity-5 :sx = 0. 25a = 105. 75nm, rx = 0. 32a = 135. 36nm, ry = 0. 28a = 118. 44nm。本方案中所提出的可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列可以应用到实际的生物分子和化学物质的检测中。然而在实际应用领域，还需要讨论器件在实际应用中的经济效益和实用性等等。为了尽可能耗费更少的检测样品来完成相应的生化检测和分析， 在实际实验分析过程中还需要进一步研究传感器有效检测区域面积的大�。幢惶畛浔患觳馕锏目掌赘鍪�(N)的多少与光子晶体传感器质量灵敏度(△ λ/Ν)和折射率灵敏度 (Δ λ/Δη)的关系。当填充被分析物空气孔的个数(N)从N = 2增加到N = 28 (如图5 (b)所示)时， 光子晶体传感器的质量灵敏度(△ λ/Ν)与被填充的空气孔的个数(N)的关系如图5(a)所示。从图5(a)中可以看出，随着被填充的空气孔的个数(N)的增加，光子晶体传感器的质量灵敏度(△ λ/Ν)成指数形式变化，即
权利要求
1.一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其中该光子晶体生化传感器阵列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 = 3.48。
2.如权利要求1所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其特征是在沿Wl光子晶体波导方向上，在其附近引入具有不同谐振频率的光子晶体谐振腔阵列，构成光子晶体传感器阵列结构。
3.如权利要求1或2所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其特征在于光子晶体谐振腔的具体设计方法，本方案中谐振腔的设计是通过两个方面来设计完成的，即一是在水平方向上向外平移相邻的两个空气孔；二是改变空气孔的半径。
4.如权利要求1或2所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，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被分析物的感知、检测和分析。
5.如权利要求1或4所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其特征在于一是可以通过控制检测区域面积的大�。刺畛浔环治鑫锏目掌赘鍪亩嗌伲迪志哂胁煌槊舳鹊墓庾泳宕衅鳎欢堑碧畛浔环治鑫锏目掌椎母鍪】赡苌偈保部梢允迪指椭柿康谋环治鑫锏募觳庥敕治觯春姆迅俚难防赐瓿上嘤Φ募觳夂头治�。
6.如权利要求1或5所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其特征在于能使各个谐振腔的谐振频率都处于Wl波导光子晶体导模所覆盖的频率范围之内。
7.如权利要求2或6所述的一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法，其特征是在能够充分利用光子晶体禁带中的导模特性和光子晶体微腔的局域特性的基础上，能够实现对小体积被分析物的并行感知。
全文摘要
本发明涉及一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法。本发明首次将光子晶体传感器阵列在同一块二维光子晶体平板�？樯鲜迪�。本发明设计了一种基于二维光子晶体平板结构，通过设计具有不同谐振频率的谐振腔组合，并能够使各谐振腔与光子晶体波导之间实现高效耦合，完成光子晶体生化传感器阵列的设计。它的基本结构是基于空气孔三角晶格光子晶体平板结构，主要包括一条线缺陷光子晶体波导(W1波导)和若干个具有不同谐振频率的谐振腔。本方案中采用了五个谐振频率不同的谐振腔，分别命名为H0-cavity-1、H0-cavity-2、H0-cavity-3、H0-cavity-4、H0-cavity-5。由于各谐振腔与光子晶体波导之间能实现高效耦合，所以各谐振腔能够将光场局域在各自的区域内，提供了可并行感知小体积被分析物的能力。
文档编号G01N21/17GK102175610SQ201010622728
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者杨大全, 田慧平, 纪越峰 申请人:北京邮电大学
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