CN103149176B - 一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器 - Google Patents

一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：在单片多层晶片上采用电子束曝光和干法刻蚀工艺，或聚焦离子束工艺制备中间集成渐变型锥形波导的啁啾二维光子晶体波导，然后与微流槽键合，对多个样本折射率变化进行多通道检测。其中，啁啾二维光子晶体波导不同的缺陷宽度和形状可以使传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，其基模与多个高阶模的交叉点对应的多个频率的光能，会反向耦合到啁啾二维光子晶体波导的输入端，使输出端观测到的透射谱在不同的频率上出现高锐度布拉格衍射谷，发生高锐度布拉格衍射谷的多个频率随着所述微流槽内填充物质折射率的变化而变化，从而实现了单片、低串扰、高灵敏度、高分辨率、易集成的多通道折射率传感器。

Description

一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种可应用于疾病治疗诊断和生物医学等领域的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器。
背景技术
近年来，高灵敏度光子晶体折射率传感器得到了广泛关注，在生物化学和细胞检测分析等领域得到了很好的应用。与表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,SPR)折射率传感器相比，光子晶体传感器具有生物兼容性强、探测距离远和低损耗等优势，并且符合未来传感器微型化和集成化的发展方向，在折射率传感器领域具有重要的研究意义。其中，Schudel等报道了一维光子晶体（光栅）生物传感器[Lab Chip9,1676-1680(2009)]；Mortensen等报道了二维光子晶体生物传感器在片上实验室（lab-on-chip）的应用[Microfluid.Nanofluid.4(1),117-127(2008)]；Chakravarty和loncar等分别报道了光子晶体谐振腔折射率传感器[Opt.Lett.30,2578-2580(2005);Appl.Phys.Lett.82,4648-4650(2003)]；Topolancik和Xiao等分别报道了光子晶体波导折射率传感器[Appl.Phys.Lett.82,1143-1145(2003);J.Opt.A:Pure Appl.Opt.9,S463-S467(2007)]；同时科学家们在光子晶体光纤折射率传感器方面也做了大量的研究工作[Meas.Sci.Technol.15,1120-1128(2004);Opt.Lett.29,1974-1976(2004);Opt.Express13,5883-5889(2005)]。
但是，上述光子晶体传感器仅限于单个目标样本的单通道检测。为了提高传感器的检测效率，实现对多个目标样本的多通道同时检测，多通道折射率传感器(Multiplex Multiple Refractive Index Sensor)近几年来得到了较快的发展。Mandal等提出了一种基于一维光子晶体谐振腔阵列的多通道折射率传感器[Opt.Express16,1623-1631(2008)]，实现了对多个目标样本的多通道检测并具有很高的分辨率，但该传感器基于多个硅衬底，因此未达到传感器微型化和集成化的要求。目前一些研究表明，可以通过在单一硅衬底上制备光子晶体谐振腔阵列，实现基于单片硅衬底的多通道折射率传感器，提高其集成度[Opt.Express19,20023-20024(2011);Opt.Eng.51,084002(2012)]。但是阵列中谐振腔之间的能量耦合，会产生多通道间的串扰。同时，光子晶体谐振腔需要外加泵浦光，被测的光信号是垂直于表面向上散射，所以存在噪声大、不能平面集成的问题
而且光子晶体折射率传感器多是直接与被测样本接触,样本会填充进周期孔中,当孔中的填充物质折射率发生变化的时候,光子晶体传感器的共振峰会产生频移[IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques58,3954-3960(2010)；Opt.Express15,4530-4535(2007)],但是测量结束后需要对光子晶体进行清洗，而清洗后的周期孔中的残留物质会对光子带隙的位置和大小产生影响,并且可能导致光子带隙的消失,因此会对新样本的测量产生影响，不利于传感器的重复使用。
综上所述，上述多通道光子晶体折射率传感器具有以下问题：①都采用光子晶体谐振腔阵列，具有结构复杂、稳定性差、串扰高的缺点；②光子晶体谐振腔制备过程中杂质的随机引入会产生噪声，使器件性能的不确定性增加，不利于传感器批量和可重复性生产；③光子晶体谐振腔与其他光学器件集成困难；④残留在光子晶体折射率传感器周期孔中的物质，不利于传感器的重复使用。
啁啾二维光子晶体波导的透射谱具有多个高锐度布拉格衍射谷(Mini-stopband,MSB)，其MSB的谱线宽度可以达到<1nm，具有很高的光谱分辨能力。因此，将啁啾二维光子晶体波导与微流槽有机集成在一起解决上述问题，实现具有单片集成、高灵敏度、高分辨率、低串扰、低噪声、重复使用性高的的多通道折射率传感器。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提出一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，该集成器件具有多通道检测、单片集成、高灵敏度、高分辨率、低串扰、低噪声、重复使用性高等特点。
光子晶体中出现的光子带隙(Photonic bandgap,PBG)禁止落在该带隙频率范围内的光传播，该特征可以使光子晶体作为光滤波器和反射器。在二维光子晶体内引入不同的线缺陷，然后调节该线缺陷的尺寸和形状，就形成了啁啾二维光子晶体波导，见附图3。啁啾二维光子晶体波导中不同的线缺陷的尺寸和形状可以使其传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，而基模与多个高阶模的交叉点对应的多个频率的光能，会反向耦合到啁啾二维光子晶体波导的输入端，使输出端观测到的透射光谱在不同的频率上出现FWHM很窄的高锐度布拉格衍射谷MSB，即多通道高锐度MSB。当啁啾二维光子晶体波导上下空间的多个填充物质折射率发生变化时，透射谱上的多通道MSB对应的频率将会随之发生变化，因此，通过观测啁啾二维光子晶体波导透射谱上多通道高锐度MSB的频移，可以同时对多个目标样品的折射率变化进行检测。
本发明的一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其在单片多层晶片上具有如下部分：单片多层晶片上具有如下部分：衬底层、中间牺牲层、波导层和保护层自下而上，依次排列；穿透保护层和波导层的二维光子晶体和渐变型锥形波导，是采用电子束曝光再用干法刻蚀工艺或聚焦离子束工艺实现的；所述的二维光子晶体中的周期孔径、孔深、晶格周期，渐变型锥形波导的长度、深宽、宽度，和线缺陷的尺寸与形状均是通过有限时域差分法、有限元法、或平面波展开法仿真得到。微流槽通过微电子制造技术和微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)微加工技术制备，然后键合于啁啾二维光子晶体波导的上表面。
渐变型锥形波导6位于啁啾二维光子晶体波导之间，连接波导分别位于啁啾二维光子晶体波导的输入、输出端产生透射谱。啁啾二维光子晶体波导不同的线缺陷宽度和形状可以使传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，其基模与多个高阶模的交叉点对应的多个频率的光能，会反向耦合到啁啾二维光子晶体波导的输入端，使输出端观测到的透射谱在不同的频率上出现高锐度布拉格衍射谷，发生高锐度布拉格衍射谷的多个频率随着所述微流槽内多个填充样本折射率的变化而变化，实现了多个样本折射率变化的多通道检测。
所述的啁啾二维光子晶体波导实现方式选取以下五种方式中的一种：
①通过去除二维光子晶体5中间一行的空气孔，形成直通波导并调节不同部分直通波导11的宽度而成8，见附图3中(a)，其中宽度的调节范围是0.1w0-10w0， w 0 = 3 2 a , a是晶格常数；
②通过改变二维光子晶体5中间一行空气孔的半径形成12，见附图3中(b)，空气孔半径的调节范围是0.1r-10r,r是未改变之前的空气孔半径，0.05<r/a<0.5；
③通过在二维光子晶体5中间一行空气孔内填充其他相同介质并改变其半径形成13，见附图3中(c)，其中介质折射率n>1，介质孔半径的调节范围是0.1r-10r，r是未改变之前的介质孔半径，0.05<r/a<0.5；
④通过在二维光子晶体5中间一行空气孔内填充不同介质材料形成14，见附图3中(d)，其中，介质折射率n>1；
⑤通过在二维光子晶体5中间一行空气孔内填充不同介质材料并改变其半径形成15，见附图3中(e)，其中，介质折射率n>1，介质孔半径的调节范围是0.1r-10r,r是未改变之前的介质孔半径,0.05<r/a<0.5。
所述的微流槽可以是微流槽沟道宽度和光子晶体线缺陷宽度相同的无盖片微流槽，见附图2中(i)；或是将带有微流槽沟道的PDMS基片与载玻片盖片键合形成的有盖片微流槽，见附图1中(j)。
所述的微流槽与啁啾线缺陷二维光子晶体键合的过程采用表面处理工艺（如等离子体或化学溶液等处理表面）或采用聚合物中间层方案，将两部分粘结在一起，其中微流槽的沟道与光子晶体的线缺陷对准，而微流槽的非沟道部分则与光子晶体的周期空气孔封闭键合。
所述的衬底层可以采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，其中晶体材料包括Si、GaAs、InP等半导体衬底。
所述的中间牺牲层可以采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，其中晶体材料包括SiO2、AlGaInP、InGaAsP、Al2O3等。
所述的波导层可以采用晶体材料，其中晶体材料包括Si、InP、GaAs或AlAs等。
所述的保护层可以采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，其中晶体材料包括SiO2、AlGaInP、InGaAsP、Al2O3等。
由于本发明是基于啁啾线缺陷二维光子晶体的反向耦合作用，因此避免了光子晶体谐振腔之间的串扰和制备过程中杂质的随机引入所产生的噪声；同时，光是在线缺陷内传输，有利于器件的平面集成；由于探测的是高锐度MSB的频移，因此在获得高分辨率和高灵敏度上具有优势；而且多通道MSB在透射谱中的位置、尖锐程度、深度都可以透过改变结构参数：如缺陷的尺寸和形状、周期孔径和晶格周期等进行调节，因此能设计不同的结构满足不同折射率范围检测的要求。
附图说明
附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。
图1为啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器的工艺流程图。
图2为啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器的工艺流程图。
图3为啁啾二维光子晶体波导的各种形状示意图。
图中：1衬底层，2中间牺牲层，3波导层,4保护层，5二维光子晶体,6渐变型锥形波导,7无盖片微流槽,8直通波导宽度不同的啁啾二维光子晶体波导，9PMMA光刻胶,10连接波导,11直通波导，12中间一行空气孔半径渐变的啁啾二维光子晶体波导，13中间一行空气孔内填充其他相同介质同时半径渐变的啁啾二维光子晶体波导，14中间一行空气孔内填充不同介质材料的啁啾二维光子晶体波导，15中间一行空气孔内填充不同介质材料同时半径渐变的啁啾二维光子晶体波导，16.带有微流槽沟道的PDMS基片,17.载玻片盖片,18.有盖片的微流槽,19.啁啾二维光子晶体波导集成有盖片微流槽多通道折射率传感器；20.啁啾二维光子晶体波导集成无盖片微流槽多通道折射率传感器。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下以直通波导宽度不同的啁啾二维光子晶体波导为例，见附图3中(a)，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中，其他形式的啁啾二维光子晶体波导，见附图3中(b)-(e)集成微流槽多通道折射率传感器的实施方案与实施例1和2相似。
实施例1
首先，对啁啾二维光子晶波导的结构进行设计，确定二维光子晶体孔径、周期和深度，直通波导的宽度和长度，以及渐变型锥形波导的尺寸，使传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，其基模与多个高阶模的交叉点形成反向耦合，对应透射谱在不同的频率上出现高锐度MSB。
准备单片多层晶片：衬底层1，中间牺牲层2位于衬底层1之上，波导层3位于中间牺牲层2之上，通过超声波对其进行清洗，如附图1中(a)所示。利用PECVD工艺在波导层3上生长一层保护层4，然后在保护层4上旋涂PMMA光刻胶9，放入烤箱里烘烤，使PMMA光刻胶与保护层4充分粘合，如附图1中(b)所示。根据理论设计的结果，定义中间集成渐变型锥形波导的啁啾线缺陷二维光子晶体的图案，并通过电子束直写系统将图案转换到PMMA光刻胶，如附图1中(c)所示。利用干法刻蚀工艺，将PMMA光刻胶上的图案刻蚀到保护层4上，如附图1中(d)所示。通过氧等离子体方法(oxygen plasma)将PMMA光刻胶从保护层4上剥离，如附图1中(e)所示。利用干法刻蚀工艺，将保护层4上的图案刻蚀到波导层3上，实现中间集成渐变型锥形波导的直通波导宽度不同的啁啾二维光子晶体波导8，如附图1中(f)所示。
利用Protel软件绘制微流槽沟道，使沟道宽度与啁啾二维光子晶体波导中直通波导的宽度相同,存为PCB格式，加工成电路板，得到实验所需的模具,如附图1中(g)所示。把模具放在水平玻璃板上，在其上倒入10:1混合的PDMS预聚物，把一表面平整的载玻片放在倒有PDMS的模具上，均匀施加压力，挤出多余的PDMS，再烘烤,如附图1中(h)所示。剥离模具，在PDMS薄片上形成与原模具相对应的图案，即为PDMS基片16，如附图1中(i)所示。修整PDMS基片，然后把载玻片盖片17放在PDMS基片上，轻压使其牢固，完成有盖片的PDMS微溜槽的制备18，如附图1中(j)所示。
通过接触对准器将有盖片的PDMS微流槽与啁啾线缺陷二维光子晶体对准,即沟道与线缺陷的对准。用氧等离子体方法对PDMS微流槽和啁啾线缺陷二维光子晶体的表面进行处理，然后通过共价键进行键合，实现啁啾线缺陷二维光子晶体集成有盖片微流槽传感器19，如附图1中(k)所示。
实施例2
首先，对啁啾二维光子晶波导的结构进行设计，确定二维光子晶体孔径、周期和深度，直通波导的宽度和长度，以及渐变型锥形波导的尺寸，使传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，其基模与多个高阶模的交叉点形成反向耦合，对应透射谱在不同的频率上出现高锐度MSB。
准备单片多层晶片：衬底层1，中间牺牲层2位于衬底层1之上，波导层3位于中间牺牲层2之上，通过超声波对其进行清洗，如附图2中(a)所示。利用PECVD工艺在波导层3上生长一层保护层4，然后在保护层4上旋涂PMMA光刻胶9，放入烤箱里烘烤，使PMMA光刻胶与保护层4充分粘合，如附图2中(b)所示。根据理论设计的结果，定义中间集成渐变型锥形波导的啁啾线缺陷二维光子晶体的图案，并通过电子束直写系统将图案转换到PMMA光刻胶，如附图2中(c)所示。利用干法刻蚀工艺，将PMMA光刻胶上的图案刻蚀到保护层4上，如附图2中(d)所示。通过氧等离子体方法(oxygen plasma)将PMMA光刻胶从保护层4上剥离，如附图2中(e)所示。利用干法刻蚀工艺，将保护层4上的图案刻蚀到波导层3上，实现中间集成渐变型锥形波导的直通波导宽度不同的啁啾二维光子晶体波导8，如附图2中(f)所示。
利用Protel软件绘制微流槽沟道，使沟道宽度与啁啾二维光子晶体波导中直通波导的宽度相同,存为PCB格式，加工成电路板，得到实验所需的模具,如附图2中(g)所示。把模具放在水平玻璃板上，在其上倒入10:1混合的PDMS预聚物，把一表面平整的载玻片放在倒有PDMS的模具上，均匀施加压力，挤出多余的PDMS，再烘烤,如附图2中(h)所示。剥离模具，在PDMS薄片上形成与原模具相对应的图案，旋转180°即为没有盖片的PDMS微流槽7，如附图2中(i)所示。
通过接触对准器将无盖片的PDMS微流槽与啁啾线缺陷二维光子晶体对准,即沟道与线缺陷的对准。用氧等离子体方法对PDMS微流槽和啁啾线缺陷二维光子晶体的表面进行处理，然后通过共价键进行键合，实现啁啾线缺陷二维光子晶体集成无盖片微流槽传感器20，如附图2中(j)所示。
综上所述，本发明提供的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，将啁啾二维光子晶体波导与有盖片和无盖片的微流槽分别有机集成在一起形成单片集成器件，啁啾二维光子晶体波导透射谱上的多通道高锐度MSB的频率随着微流槽中多个填充样本折射率的变化而变化，通过观测多通道高锐度MSB的频移，可以实现高分辨率，高精确度和高灵敏度的折射率检测。同时，在本发明提出的结构中，光均是在线缺陷平面内传输，所以有利于器件的平面集成，如与光源和探测器的集成等。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (10)

1.一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：
单片多层晶片上具有如下部分：衬底层(1)、中间牺牲层(2)、波导层(3)和保护层(4)自下而上，依次排列；
穿透保护层和波导层的二维光子晶体和渐变型锥形波导，是采用电子束曝光再用干法刻蚀工艺或聚焦离子束工艺实现的；在二维光子晶体内引入不同的线缺陷，然后调节该线缺陷的尺寸和形状，就形成了啁啾二维光子晶体波导；
二维光子晶体(5)中的周期孔径、晶格结构和渐变型锥形波导(6)的长度、宽度与深度是通过有限时域差分法、有限元法或平面波展开法仿真得到；微流槽通过微电子制造技术和微机电系统(MEMS)微加工技术制备，然后键合于啁啾二维光子晶体波导的上表面；
渐变型锥形波导(6)位于啁啾二维光子晶体波导之间，连接波导(10)分别位于啁啾二维光子晶体波导的输入、输出端产生透射谱；啁啾二维光子晶体波导不同的线缺陷宽度和形状使传输光波中向前传输的基模群速度耦合到向后传输的不同高阶模的群速度，其基模与不同高阶模的交叉点所对应的多个频率的光能，会反向耦合到啁啾二维光子晶体波导的输入端，使输出端观测到的透射谱在不同的频率上出现高锐度布拉格衍射谷，发生高锐度布拉格衍射谷的多个频率随着所述微流槽内多个填充样本折射率的变化而变化，实现了多个样本折射率变化的多通道同时检测。
2.根据权利要求1所述的一种啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的啁啾二维光子晶体波导实现方式选取以下五种方式中的一种：
①通过去除二维光子晶体(5)中间一行的空气孔，形成直通波导并调节不同部分直通波导(11)的宽度而成(8)，其中宽度的调节范围是0.1w0-10w0， w 0 = 3 2 a , a是晶格常数；
②通过改变二维光子晶体(5)中间一行空气孔的半径形成(12)，空气孔半径的调节范围是0.1r-10r,r是未改变之前的空气孔半径，0.05<r/a<0.5；
③通过在二维光子晶体(5)中间一行空气孔内填充其他相同介质并改变其半径形成(13)，其中介质折射率n>1，介质孔半径的调节范围是0.1r-10r,r是未改变之前的介质孔半径，0.05<r/a<0.5；
④通过在二维光子晶体(5)中间一行空气孔内填充不同介质材料形成(14)，其中，介质折射率n>1；
⑤通过在二维光子晶体(5)中间一行空气孔内填充不同介质材料并改变其半径形成(15)，其中，介质折射率n>1，介质孔半径的调节范围是0.1r-10r,r是未改变之前的介质孔半径,0.05<r/a<0.5。
3.根据权利要求1或2所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的微流槽是沟道宽度与光子晶体线缺陷宽度相同的无盖片芯片(7)，或由带有微流槽沟道的PDMS基片(16)与载玻片盖片(17)键合形成(18)。
4.根据权利要求1或2所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的微流槽与啁啾线缺陷二维光子晶体键合的过程采用表面处理工艺或采用聚合物中间层方案，将两部分粘结在一起，其中微流槽的沟道与光子晶体的线缺陷对准，而微流槽的非沟道部分则与光子晶体的周期空气孔封闭键合。
5.根据权利要求3所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的微流槽与啁啾线缺陷二维光子晶体键合的过程采用表面处理工艺或采用聚合物中间层方案，将两部分粘结在一起，其中微流槽的沟道与光子晶体的线缺陷对准，而微流槽的非沟道部分则与光子晶体的周期空气孔封闭键合。
6.根据权利要求1或2或5所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的衬底层(1)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的中间牺牲层(2)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的波导层(3)采用晶体材料，包括Si、InP、GaAs或AlAs。
7.根据权利要求3所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的衬底层(1)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的中间牺牲层(2)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的波导层(3)采用晶体材料，包括Si、InP、GaAs或AlAs。
8.根据权利要求4所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的衬底层(1)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的中间牺牲层(2)采用玻璃材料、有机材料或晶体材料，所述的波导层(3)采用晶体材料，包括Si、InP、GaAs或AlAs。
9.根据权利要求6所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的衬底层(1)的晶体材料是Si、GaAs或InP；所述的中间牺牲层(2)晶体材料是SiO2、AlGaInP、InGaAsP或Al2O3。
10.根据权利要求7或8所述的啁啾二维光子晶体波导集成微流槽多通道折射率传感器，其特征在于：所述的衬底层(1)的晶体材料是Si、GaAs或InP；所述的中间牺牲层(2)晶体材料是SiO2、AlGaInP、InGaAsP或Al2O3。
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