亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种化学折射率传感器及其设计方法
技术领域：
本发明涉及化学折射率传感器技术领域，特别是涉及一种平板光子晶体高品质因子微腔及其设计方法。
背景技术：
光子晶体是介质介电常数随空间周期性分布的结构，具有光子禁带和光子局域化是光子晶体的两个最根本的特征，频率在光子禁带中的光波不能在光子晶体中传播。利用光子晶体探测化学物质的方法有多种。例如在胶体晶体阵列、蛋白石或反蛋白石光子晶体中通过探测Bragg衍射波长检测溶液的pH值、金属阳离子等变化。在光子晶体中引入缺陷，即形成光子晶体微腔。光子晶体微腔具有高品质因子⑴值)和小模态体积的特性，在化学折射率传感器中有很广泛的应用。平板光子晶体微腔在探测器应用方面具有很大潜力。它对外界折射率的探测精度可达到10_2-10_4量级；只需很小的分析样品( IfL)就可检测其折射率变化。此外，相对其他光子晶体，它易于集成到一块芯片上与其他光学器件协同工作。 评估折射率感应谐振峰移动传感器性能的重要指标是灵敏度(sensitivity)和极限分辨率(detection limit，DL)。前者的单位是纳米每折射率单位(nm/RIU, refractive index unit)，表征折射率变化与谐振峰值偏移的倍数关系；后者考虑了包括噪声、波谱分辨率等系统集成的探测精度，即在实验过程中，所能精确探测到的样品折射率的最小变化。为了提高器件对周围环境的探测灵敏度，要求微腔谐振峰具有大的波长移动和窄的线宽(高Q值) 的特性。2004 ^Ξ, Almeida(V. R. Almeida, Q. Xu, C. A. Barrios, and Μ. Lipson, "Guiding and confining Light in void nanostructure, " Optics Letters, vol.29, no. 11, pp. 1209-1211,2004)提出了狭缝波导的概念。为了提高腔模与探测介质的重叠，增强光场与外界物质的相互作用，常常在光子晶体微腔中加入一定宽度的狭缝。根据Maxwell方程边界条件，电位移矢量沿介质界面的法线方向连续，根据Sj1= ￡#11，可知，&= (nh/ H1)2Eh,因此，在低折射率区域，电场强度会得到显著增强。从而可提高对外界环境感应的灵敏度；对于后者，异质结光子晶体具有很高的Q值，在传感器应用中具有很大的潜力。理论上，含有空气狭缝(slot)的异质结光子晶体的Q值可达到106。但是，异质结光子晶体的制作对实际工艺的要求很高，在制备过程中引入的空气孔半径和位置的偏移、边壁陡峭引入的散射、材料的吸收等因素都会造成Q值的很大下降。这对光子晶体在传感器方面的广泛应用造成了很大的限制。

发明内容
为了解决现有异质结空气缝光子晶体微腔所存在的对制备精度要求很高等限制， 本发明的目的在于提供一种新型的化学折射率传感器及其设计方法，设计一种简易高Q值光子晶体微腔，该微腔的Q值对制备误差的敏感度较低，即使不对微腔进行调制和优化，该狭缝微腔也可支持很高的Q值及对折射率变化有很高的灵敏度。本发明的目的是采用以下的技术方案来实现的一种化学折射率传感器的设计方法，包括以下几个步骤步骤101，在晶格常数为a的三角晶格介质孔型平板光子晶体中，线性去掉η (η为整数)个圆孔，而用纳米尺寸的狭缝代替(这里用矩形狭缝)，狭缝连接缺陷两边圆孔；步骤102，选取微腔的模式，当η为奇数时，选取偶对称模式作为折射率探测缺陷模式，当η为偶数时，选取奇对称模式作为折射率探测器的缺陷模；步骤103，选取与狭缝轴向相垂直的电场偏振分量作为探测光，通过探测谐振峰峰值波长的变化，可检测出外部环境折射率的变化，从而起到化学传感器的作用。在上述化学折射率传感器的设计方法中，当步骤101中所述的晶格常数a为介质孔周期，其中介质平板为高折射率介质，比如平板介质为硅，折射率为3. 4，晶格常数a为 0. 48微米，低折射率介质孔的半径为0. 29a0在上述化学折射率传感器的设计方法中，当步骤101中在一行中去掉n(n取大于 3的整数)个圆孔，用宽度为w的狭缝代替时，微腔周围介质圆孔的位置和尺寸保持原来的值，可以不进行优化，即得很高Q值的微腔，同时也可以对微腔周围空气孔的半径和位置进行调制或优化，以获得更高的Q值。优选地，狭缝的长度连接微腔两边的圆孔，狭缝的宽度 w^O. 2a0在上述化学折射率传感器的设计方法中，当步骤101中引入的狭缝，狭缝的介质与圆孔的介质相同，并与平板外部的介质相同，为所探测的外部介质环境。这种外部介质可以是气体氛围或液体氛围。在上述化学折射率传感器的设计方法中，步骤102中选取微腔的谐振模式时，当η 是奇数时，是指微腔的偶对称模式，即腔模沿平板的平面方向和垂直方向都呈偶对称分布； 偶对称模式在狭缝区与低折射率介质有很大的重叠，从而对低折射率介质的变化获得很高的敏感度；而当η是偶数时，是指微腔的奇对称模式，也就是沿Z方向的电场分量对于χ方向是奇对称的，但对于Z和Y方向是偶对称的谐振模式，称为奇对称模。在上述化学折射率传感器的设计方法中，步骤103中用于探测的电场偏振方向需与狭缝轴向相垂直，如此才能在狭缝中局域更高的电场。与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果1.设计出结构简单的高品质因子光子晶体微腔，微腔中心的狭缝区具有极高的电场分布；即使不对微腔进行调制和优化，该空气缝微腔也可支持很高的Q值及对折射率变化有很高的灵敏度。同时随着η的增大，微腔的Q值增大。当η等于13时，Q值就已经约等于IO602.本发明利用了低折射率狭缝波导的特性，在狭缝区光场与介质具有很高的重叠，对外界折射率的变化具有很高的敏感度，当η = 13时，对于0. Ipm的波谱分辨率，灵敏度达到407nm/RIU，响应的探测极限为3 X 10_7，当η增大时，响应的探测极限更低，达到更高的精度。与现有的光子晶体折射率传感器相比，具有更高的探测精度。3.本发明设计的高品质因子光子晶体微腔，具有对制备工艺误差不敏感的特性。 当对介质孔的半径和位置引入1. 8%的误差时，微腔的Q值降低为原来的19%，且仍能保持 > 105，这对光子晶体在传感器上的广泛应用具有推动作用。


下面将结合附图对本发明作进一步说明图IA是本发明的Ln型空气缝光子晶体化学折射率传感器的平面图；图IB是本发明的Ln型空气缝光子晶体化学折射率传感器的侧面图。图2是本发明的L13空气缝光子晶体化学折射率传感器的平面图。图3是图2结构的电场强度分布图。图4是图2结构的谐振波长随光子晶体周围折射率变化示意图。图5是对图2结构空气孔的半径和位置引入2. 5nm随机误差的谐振波长变化图。图6是对图2结构空气孔的半径和位置引入2. 5nm随机误差的Q值变化图。具体实施方法下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不仅限于此。棚列一 L1辨■顿靴對斤身樣#龍白·乍图IA和图IB分别是本发明的Ln空气缝光子晶体化学折射率传感器的平面图和侧面图，其设计过程具体如下步骤101，考虑晶格常数为a的三角晶格平板光子晶体。假如高折射率介质平板为硅Si，折射率为3. 4，让该结构处于所需探测的介质环境中，这种外部介质可以是气体氛围或液体氛围，例如空气，折射率为1。线性去掉η (η为整数)个圆孔，用宽度为w (w = 0. 2a) 的狭缝代替，狭缝的折射率与圆孔的折射率相同。狭缝连接缺陷两边的空气孔。步骤102，选取微腔的合适谐振模式作为折射率探测缺陷模式；谐振模式是指当η 为奇数时，选取电场强度fe分量对于Z轴、X轴和Y轴偶对称的模式作为折射率探测缺陷模式，即腔模沿平板的平面方向和垂直方向都呈偶对称分布，称为偶对称模；当η为偶奇数时微腔的奇偶对称模式，即腔模的Z方向电场分量沿χ方向奇对称，但沿Z和Y方向(垂直方向)都呈偶对称分布，如图IA所示。步骤103，将平板放在所需探测的外部环境中，改变平板周围介质的折射率，选取与狭缝轴向相垂直的电场偏振分量作为探测光，通过探测谐振峰峰值波长的移动，可检测出外部环境折射率的变化，从而起到化学传感器的作用。实施例二 L=型空气缝光子晶体的制作图2所示的是L13型空气缝光子晶体折射率传感器，晶格常数为0. 49 μ m,高折射率介质平板为硅Si，折射率为3. 4，周期排列的低折射率介质孔为空气，折射率为1。空气孔的半径为0. 29a0狭缝宽度为w = 0.加，平板厚度为220nm。为了解这种Ln型空气缝光子晶体微腔的特性，以L13为例，利用时域有限差分法模拟了 L13结构的传感效应。该结构的Q值为9. 84X 105,谐振波长为1. 411 μ m。图3所示的是L13微腔的fe电场强度分布。L13微腔电场的包络仍能满足高斯分布，边缘处的场模呈梯度变化。另外，空气缝的存在使微腔的折射率产生突变，在介质边界法线方向上，由于电位移矢量的连续性，增强了狭缝中&分量的场值，如图4所示。沿着Z =0轴向，&分量的一维场分布在狭缝附近出现突变增强，这表明，有更多的光场可局域在空气区域，增大了场模与外界介质的重叠，这有利于探测介质的折射率变化。
改变L13狭缝的宽度w分别为0. 2a, 0. 18a, 0. 165a, 0. 15a,当外界环境为空气时，Q 值分别为9. 84X 105,1. 065X 106，8. 9X 105，8. 34X 105。当改变平板周围折射率，从1变化到1.0008，如图4所示。谐振波长向长波方向移动。根据谐振峰偏移量的线性拟合，计算出灵敏度S(S = Δ λ / Δη)。在这几种宽度中，S的变化范围从396nm/RIU到407nm/RIU。 灵敏度最高的结构是w = 0. 165a的L13腔。在检测过程中，假如不考虑波谱分辨率的限制， 当系统信噪比为60dB, Q = 9. 84X 105，则相应的探测极限(detection limit DL)可达到 3X10_7。如果通过增加η的数量，进一步提高Q值，DL的值甚至可达到10_8。目前，一般的波谱分辨率为lpm，信噪比典型值为60dB，则可获得2. 4X ΙΟ"6的DL，这表明可精确测量的样品最小折射率变化。对空气孔的尺寸和位置引入不同程度的误差，微腔Q值也对其具有较弱的敏感性。图5和图6分别描述了当对空气孔的半径和位置同时引入2. 5nm(1.8%)的偏差时，微腔谐振波长和Q值的变化。谐振波长为1.412 μ m，对比标准值，最大偏差为0.沈<%。Q的平均值为1.9X105，大约下降到标准值⑴=9. 84 X IO5)的19%。假如只对空气孔半径引入 Inm的误差，Q的平均值为7. 19X105，比标准值下降了 27%。综上所述，通过模拟Ln型微腔的折射率传感与误差影响特性，本发明实现了高品质因子光子晶体微腔的设计，具有对外界环境折射率变化高灵敏度> 400nm/RIU的特性， 同时，微腔结构对制备精度具有较高的容忍度，即使对空气孔尺寸引入> 1.5%的误差，Q 值仍能维持> 105，因此实现了高灵敏度化学折射率探测器。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种化学折射率传感器，其特征在于其包括晶格常数为a的三角晶格或方形晶格介质孔型平板光子晶体；所述介质孔型平板光子晶体具有代替线性去掉η个圆形介质孔的纳米尺寸的矩形狭缝或其他形状狭缝，所述狭缝连接缺陷两边圆孔。
2.根据权利要求1所述的化学折射率传感器，其特征在于所述η为η> 3的整数，所述圆形介质孔形成高Q值微腔。
3.根据权利要求2所述的化学折射率传感器，其特征在于所述狭缝的长度与所述微腔长度相当；所述狭缝的宽度w可通过调整而实现最灵敏的折射率传感器，通常需满足 w^O. 2a0
4.一种化学折射率传感器的设计方法，其特征在于包括以下步骤步骤101，在晶格常数为a的三角晶格或方形晶格介质孔型平板光子晶体中，线性去掉 η个圆形介质孔，而用纳米尺寸的矩形狭缝或其他形状狭缝代替，狭缝连接缺陷两边圆孔；步骤102，选取微腔的谐振模式；步骤103，选取与狭缝轴向相垂直的电场偏振分量作为探测光，探测谐振峰峰值波长的变化。
5.根据权利要求4所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于所述η为η> 3 的整数，所述η个介质孔形成高Q值微腔。
6.根据权利要求4所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于步骤101中引入的狭缝其介质与圆孔的介质相同，并与平板外部的介质相同；所述外部介质可以是气体氛围或液体氛围。
7.根据权利要求6所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于采用纳米尺寸的空气狭缝代替线性去掉的η个介质孔。
8.根据权利要求7所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于所述空气缝的长度与微腔长度相当，连接微腔两边的空气孔；所述空气缝的宽度w可调整，而实现最灵敏的折射率传感器，通常需满足w彡0.加。
9.根据权利要求4所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于步骤102中，当η是其奇数时，选取电场强度fe分量对于Z轴、X轴和Y轴偶对称的模式作为折射率探测缺陷模式，也就是所述腔模fe电场分量沿平板的平面方向和垂直方向都呈偶对称分布，称为偶对称模；当η是偶数时，选取电场强度EZ分量沿X方向奇对称，沿Z方向和Y方向偶对称的模式作为折射率探测缺陷模，称为奇对称模。
10.根据权利要求4所述的化学折射率传感器的设计方法，其特征在于步骤103中， 用于探测的入射光场电场偏振方向需与狭缝的轴向相垂直。
全文摘要
本发明公开了一种光子晶体化学折射率传感器及其设计方法。其设计方法为在平板光子晶体微腔中，用纳米尺寸的空气狭缝取代n个空气孔，形成Ln型空气缝光子晶体微腔；选取微腔的谐振模式；选取与狭缝轴向相垂直的电场偏振分量作为探测光，探测谐振峰峰值波长的变化。本发明利用光子晶体微腔高局域场的特性，在L13微腔中实现了对外界折射率的变化具有407nm/RIU的灵敏度，对于0.1pm的波谱分辨率，可获得3×10-7的探测极限。同时，该微腔具有对制备误差敏感度较低的特性，当对空气孔半径引入2.5nm误差扰动时，Q值也仅下降到原来的27％，降低了传感器的制备难度，使Ln型微腔在大规模生产制备中具有很大的潜力。
文档编号G01N21/41GK102353652SQ20111019399
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者宋彦君, 王雪华, 金崇君 申请人:中山大学