一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，包括两层复合光栅层和中间夹层，两层复合光栅层分别在所述中间夹层的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元，每个周期性单元包括若干周期或非周期排列的微纳光栅，所述微纳光栅远离中间夹层的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙。本发明专利技术基于当前光学传感器的研究现状和谐振波导光栅的优势，结构简单，制备方便，通过设计凹型光栅结构，实现对不同模式的调控。实现对不同模式的调控。实现对不同模式的调控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器


[0001]本专利技术涉及微纳光学器件
，特别是涉及一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器。

技术介绍

[0002]亚波长微纳光栅结构是一种典型的微纳光子结构，近年来已经被广泛应用于光学生物传感和抗体抗原检测中。相比于其他类型的传感器，光学传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、低成本等优势，被广泛应用于环境监测、化学分析、生物传感等领域。由于传统检测器件依赖于化学检测，检测效率低，将微纳光子学的发展与集成光学元件融合，设计微纳光栅型的传感器，通过光谱信息能够即时检测信息，有效提高传感器的性能，增加传感器准确度。
[0003]常用的光学传感器结构包括微纳光纤、表面等离子体、谐振波导光栅等，相比其他结构，谐振波导光栅在实现光学传感时，有着易于光耦合、易于片上集成和无需荧光标记等优点。然而，传统的微纳光栅结构可调控的结构参数较少，难以实现高品质因子(Q)和高灵敏度(S)的光学生物传感。近年来，研究者们将目光投向基于复合光栅结构的传感器研究，但是普通复合光栅受到Q和S的相互制约，从物理机理上来说，实现高灵敏度的光栅传感器，需要光栅中更多的光场泄漏到低折射率的待检物质中；同时，获得高品质因子的光栅传感器，需要提升光栅对漏模光场的束缚能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，基于当前光学传感器的研究现状和谐振波导光栅的优势，结构简单，制备方便，通过设计凹型光栅结构，实现对不同模式的调控。r/>[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，包括：两层复合光栅层和中间夹层，两层复合光栅层分别在所述中间夹层的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元，每个周期性单元包括若干周期或非周期排列的微纳光栅，所述微纳光栅远离中间夹层的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙。
[0007]进一步的，所述复合光栅层采用高折射率材料，为Si、GaAs或SiN。
[0008]进一步的，所述中间夹层采用低折射材料，为BCB、SU
‑
8或SiO2。
[0009]进一步的，所述微纳光栅通过控制刻蚀凹槽的深度将光栅横截面变为矩形。
[0010]进一步的，两层复合光栅层对称设置在所述中间夹层的上、下面。
[0011]进一步的，所述集成光学传感器通过改变相邻两个微纳光栅之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变中间夹层的厚度调控光栅的F
‑
P腔模式，通过改变凹槽的刻蚀深度改变光栅横截面的形状。
[0012]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的基于
双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，主要由双层复合光栅层和中间夹层组成，该传感器用于气体传感时出现双谐振峰的现象，结构简单，加工方便，通过改变微纳光栅之间的间距可以调控光栅的漏模谐振模式；通过改变中间夹层的厚度可以调控光栅的F
‑
P腔模式；通过改变光栅凹槽的刻蚀深度可以调控光栅横截面的形状，从而实现对品质因子和灵敏度的调控。该传感器由全介质材料构成，无损耗，拥有较高灵敏度的同时，还能获得很高的品质因子，在微纳光学器件领域的纳米等级传感方面具有很好的应用前景。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本专利技术实施例一基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器的结构示意图；
[0015]图2为本专利技术实施例二基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器的结构示意图；
[0016]图3为本专利技术实施例二光学传感器在改变凹槽的刻蚀深度时两个谐振峰的光谱图；
[0017]图4为本专利技术实施例二光学传感器的两个谐振峰随待测物质折射率变化时的反射光谱；
[0018]图5为本专利技术实施例二光学传感器在复合光栅的间距改变时单双谐振峰的演变反射光谱；
[0019]附图标记说明：1、中间夹层；2、上层复合光栅层；3、下层复合光栅层；4、周期性单元；5、微纳光栅。
具体实施方式
[0020]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]本专利技术的目的是提供一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，基于当前光学传感器的研究现状和谐振波导光栅的优势，结构简单，制备方便，通过设计凹型光栅结构，实现对不同模式的调控。
[0022]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0023]如图1和如图2所示，本专利技术实施例提供的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，包括：两层复合光栅层和中间夹层1，两层复合光栅层包括上层复合光栅层2和下层复合光栅层3，分别在所述中间夹层1的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元4，每个周期性单元4包括若干周期或非周期排列的微纳光栅5，所述微纳光
栅5远离中间夹层1的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅5的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙，通过改变相邻两个微纳光栅5之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变中间夹层1的厚度调控光栅的F
‑
P腔模式，通过改变凹槽的刻蚀深度改变光栅横截面的形状。
[0024]所述复合光栅层采用高折射率材料，为Si(硅)、GaAs(砷化镓)或SiN(氮化硅)等。
[0025]所述中间夹层采用低折射材料，为BCB(苯并环丁烯)、SU
‑
8(一种光刻胶)或SiO2(二氧化硅)。
[0026]所述微纳光栅5通过控制刻蚀凹槽的深度将光栅横截面变为矩形。
[0027]上下两层复合光栅可以是关于中间夹层对称的也可以是非对称的。本专利技术实施例中两层复合光栅层对称设置在所述中间夹层1的上、下面。所述集成光学传感器通过改变检测物质的折射率变化实现液体或气体折射率传感；通过检测复合光栅层表面厚度的变化引起谐振峰的波长漂移，实现检测液体中生物分子的免疫识别。
[0028]在本专利技术实施例中，所述中间夹层1选用的是折射率为1.54的BCB，微纳光栅5是折射率为3.47的硅(Si)，其中中间夹层1的厚度h为1000nm。
[0029]如图1所示，本专利技术实施例一中，所述周期性单元内包括三个微纳光栅，三个微纳光栅的高度为L，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，其特征在于，包括：两层复合光栅层和中间夹层，两层复合光栅层分别在所述中间夹层的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元，每个周期性单元包括若干周期或非周期排列的微纳光栅，所述微纳光栅远离中间夹层的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙。2.根据权利要求1所述的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，其特征在于，所述复合光栅层采用高折射率材料，为Si、GaAs或SiN。3.根据权利要求1所述的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，其特征在于，所述中间夹层采用低折射材料，为BCB、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秀红，史超颖，胡劲华，赵继军，韩海燕，朱巧芬，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：