基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型光子晶体传感器制造技术

技术编号:20585808 阅读:152 留言:0更新日期:2019-03-16 06:10
本发明专利技术涉及一种基于Fano谐振的氮化硅(SiNx)材料制作的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器设计,属于光子晶体传感器技术领域。本发明专利技术在传统椭圆空气孔全刻蚀型二维光子晶体结构基础上进行结构改良从而提高传感器的性能。具体而言,将椭圆空气孔全穿透的空气孔结构调整为部分深度刻蚀的部分穿透结构,通过调整光源入射方向从与光子晶体板平行到垂直,从而实现了对品质因子以及灵敏度的提高。该光子晶体传感器的尺寸大小较为灵活,可以根据实际需要进行调整制作。而且本设计采用氮化硅作为结构材料,提高了结构强度,部分刻蚀的制作工艺也减少了刻蚀剂使用量避免污染。本发明专利技术可以用于液体环境下的折射率传感领域。

Partially Etched Photonic Crystal Sensors with Elliptical Air Holes Based on Fano Resonance

The invention relates to the design of a two-dimensional photonic crystal sensor with elliptical air hole partially etched based on Fano resonant silicon nitride (SiNx) material, belonging to the technical field of photonic crystal sensors. The structure of the sensor is improved on the basis of the traditional elliptical air hole fully etched two-dimensional photonic crystal structure to improve the performance of the sensor. Specifically, the full-penetrating air hole structure of elliptical air hole is adjusted to a part-penetrating structure of partial deep etching. By adjusting the incident direction of the light source from parallel to vertical with the photonic crystal plate, the quality factor and sensitivity are improved. The size of the photonic crystal sensor is flexible and can be adjusted according to actual needs. In addition, the design uses silicon nitride as structural material, which improves the structural strength and reduces the amount of etchant used to avoid pollution. The present invention can be used in the field of refractive index sensing in liquid environment.

【技术实现步骤摘要】
基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型光子晶体传感器
本专利技术涉及一种基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器,其特点是传感性能优良,尺寸大小灵活,属于光子晶体传感器

技术介绍
近年来,为了解决有标签检测中修饰目标分子的高成本以及复杂功能化反应等问题,光子晶体无标签传感器受到了广泛的关注。然而,传统的光子晶体传感器(文献1:YonghaoLiu,ShulingWang,DeyinZhao,WeidongZhou,andYuzeSun,“Highqualityfactorphotoniccrystalfilteratk≈0anditsapplicationforrefractiveindexsensing”,OpticsExpress25(9),10536-10545(2017);文献2:FujunSun,JianZhou,LijunHuang,ZhongyuanFu,ZhaoxiangDing,andHuipingTian,“Designon-chipwidth-modulatedline-defectcavityarraystructureformultiplexingcomplexrefractiveindexsensing”,SensorsandActuatorsA:Physical257,8-14(2017);文献3:JianZhou,LijunHuang,ZhongyuanFu,FujunSun,andHuipingTian,“Multiplexedsimultaneoushighsensitivitysensorswithhigh-ordermodebasedontheintegrationofphotoniccrystal1×3beamsplitterandthreedifferentsingle-slotPCNCs”,Sensors16(7),1050(2016);文献4:HanSu,XinR.Cheng,TatsuroEndo,andKaganKerman,“Photoniccrystalsoncopolymerfilmforlabel-freedetectionofDNAhybridization”,BiosensorsandBioelectronics103,158-162(2018).)在强光和物质相互作用方面具有局限性。对于传感应用,应提高灵敏度。为了进一步提高光物相互作用的强度,亚波长光栅结构(文献5:StanleyM.Lo,ShurenHu,GirijaGaur,YiorgosKostoulas,SharonM.Weiss,andPhilippeM.Fauchet,“Photoniccrystalmicroringresonatorforlabel-freebiosensing”,OpticalExpress25(6),7046-7054(2017);文献6:EnxiaoLuana,HanYuna,LoicLaplatinea,JonasFlueckigerb,YonathanDattnerc,DanielRatnerd,KarenCheunga,andLukasChrostowski,“Sub-wavelengthmulti-boxwaveguide-basedlabel-freesensors”,Proc.ofSPIE10535,105350H-1(2017);文献7:ZhengruiTu,DingshanGao,MeilingZhang,andDamingZhang,“High-sensitivitycomplexrefractiveindexsensingbasedonFanoresonanceinthesubwavelengthgratingwaveguidemicro-ringresonator”,OpticsExpress25(17),20911-20922(2017).)近年来逐渐得到关注。然而,就设计和制造而言,具有耦合到波导的微环的亚波长光栅结构比光子晶体传感器更复杂。综合考虑到设计制造和高光学特性,我们提出了一种基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器,其类TE折射率灵敏度可以达到582.5nm/RIU,类TM折射率灵敏度可以达到930.5nm/RIU。
技术实现思路
本专利技术通过调整椭圆空气孔的刻蚀深度以及光源入射方向,达到提高灵敏度的效果,并提出了一种基于Fano谐振的二维光子晶体传感器。1.本专利技术的具体内容对于光子晶体传感器的传感特性来说,我们期望品质因子足够大,灵敏度足够高。(1)设计了一种基于Fano谐振的调整椭圆空气孔刻蚀深度的二维光子晶体传感器结构,具体结构如图1所示。(2)设计了空气孔部分刻蚀的光子晶体结构,相较于传统全刻蚀的光子晶体结构,谐振峰的线宽明显降低,透射图对比如图2所示。(3)最终经过各项参数优化(晶格常数、椭圆长短轴、板厚、空气孔深度等),最终确定如图1所示的结构,参数为:a=1000nm,rmajor=400nm,rminor=250nm,t=160nm,h=80nm。2.本专利技术的优点如下:(1)本专利技术提出通过调整椭圆空气孔刻蚀深度,设计了二维光子晶体传感器结构,产生两个谐振模式,分别对应类TE和类TM模式。这些模式的电场分布分别位于孔内和板外,可以用于检测不同待测物。(2)本专利技术提出完美光子晶体结构,可以达到减小制作难度的目的。(3)本专利技术设计空气孔部分刻蚀的结构,有利于待测物在孔内的存留,从而增强光物相互作用。(4)本专利技术的结构大小较为灵活,在形成光子晶体结构以后可以任意调整晶格周期数以满足实际要求。(5)本专利技术较同类光子晶体传感器提高了灵敏度,同时可以检测模式的范围更加广泛。3.本专利技术的原理如下:(1)在光源垂直入射时,当均匀介质板中引入完美光子晶体结构以后,板内存在导模和导模谐振两种模式。其中,只有导模谐振可以与入射光耦合,从而在介质板附近的空间形成电场分布。(2)Fano谐振指连续态与分立态之间的耦合,在本专利技术中垂直入射光源为连续态,在板内形成的导模谐振为分立态,二者之间耦合以后,将导致入射光的相位发生变化,从而形成Fano谐振。(3)本专利技术通过调节椭圆空气孔长短轴比例以及空气孔刻蚀深度来调节导模谐振和入射光之间的耦合,最终形成类TE与类TM的Fano谐振,同时两个谐振的电场可以分布在不同的空间位置。附图说明图1(a)基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀型二维光子晶体传感器结构图。(b)光子晶体晶格示意图,其中晶格常数a=1000nm,椭圆空气孔长轴rmajor=400nm,椭圆空气孔短轴rminor=250nm。(c)光子晶体结构板侧视图,其中板厚t=160nm,空气孔刻蚀深度h=80nm。图2空气孔刻蚀深度分别为80nm(本专利技术部分刻蚀的深度)和160nm(传统空气孔全部刻蚀的深度)的透射光谱对比图。图3(a)利用FDTD方法计算得到光子晶体传感器在类TE模式不同折射率下的谐振透射图。(b)二维光子晶体类TE模式的电场分布图。(c)类TE谐振波长与折射率变化的关系拟合图。图4(a)利用FDTD方法计算得到光子晶体传感器在类TM模式不同折射率下的谐振透射图。(本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.提出一种基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀的二维光子晶体传感器结构,其特征在于:该传感器制作材料选择为氮化硅,通过调整椭圆空气孔刻蚀深度,使得光场中心局域在空气孔孔内和附近空间。其中光子晶体板板厚160nm,空气孔的刻蚀深度为板厚的一半,即80nm。此时,在垂直平面波光源的照射下,光子晶体板内将激发出两种模式,分别为类TE模和类TM模。其中类TE模的光场中心局域在空气孔正上下方,类TM模的光场中心局域在光子晶体板的正上下方。

【技术特征摘要】
1.提出一种基于Fano谐振的椭圆空气孔部分刻蚀的二维光子晶体传感器结构,其特征在于:该传感器制作材料选择为氮化硅,通过调整椭圆空气孔刻蚀深度,使得光场中心局域在空气孔孔内和附近空间。其中光子晶体板板厚160nm,空气孔的刻蚀深度为板厚的一半,即80nm。此时,在垂直平面波光源的照射下,光子晶体板内将激发出两种模式,分别为类TE模和类TM模。其中类TE模的光场中心局域在空气孔正上下方,类TM模的光场中心局域在光子晶体板的正上下方。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:田慧平王铮王超孙富君肖泽坤
申请(专利权)人:北京邮电大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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