CN104932120B - 一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器 - Google Patents
一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，包括：硅衬底、二氧化硅衬底、硅平板、二维硅光子晶体波导、续接波导、金属钛‑铝电极、介质覆盖层；本发明利用二维硅光子晶体波导的带隙效应、硅基材料的热光调控机理及光学力，实现小体积、轻量化和高精度的空间微粒位置控制功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，特别适用于微型空间探测器中微粒样品采集传输装置的工作需求。
背景技术
微粒位置的高精度控制是微型空间探测器中微粒样品采集传输装置的核心技术。随着探测器微型化技术的不断推进，传统的机械臂、传送带式的样品采集输运方式已经无法进一步满足空间、能耗与载荷等方面的需求，而单分子检测等新检测技术的应用，使得样品采集的需求量大大降低。因此研究具有高度集成化、微型化的新型微粒样品采集传输装置成为空间探测技术的重要发展方向之一。
这种高精度的位置控制可以借助光学力实现。光学力源于光束与其照射的物质之间产生的相互作用。相比传统的机械臂和传送带控制，光学力的作用效果具有远距离、非接触式等优点。通过控制光束的形状、强度等参数，也能够实现控制光学力的大小与方向。如果能够用微集成器件产生和控制光学力，并制成具有微小尺寸、低功耗、低载荷的空间样品采集输运装置，则可以大大减少推进剂的携带量而增加空间探测器有效载荷，或不减少推进剂而大大延长空间探测器的工作寿命，因而具有极大的发展潜力。采用集成光波导即可以产生稳定的光束，又只占用较小的空间，因此适用于制备微粒控制装置(Lin&Crozier,Anintegrated microparticle sorting system based on near-field optical forcesand a structural perturbation[J].Optics Express,2012,20(4):3367-3374)。
光子晶体是介电常数呈周期性分布，且周期在光波长数量级的一种微纳结构光电子材料。与传统的均匀材料相比，光子晶体结构会使电磁波在其中传播时，因发生布拉格散射而产生光子带隙，使得部分波长的电磁波被禁止在其中传播，从而可以实现对相应波长电磁波的传播行为加以控制。二维光子晶体波导是一种特殊的光子晶体结构，其特点是在介质平板上分布着按三角格子或四方格子排列的填充某种低折射率介质(如空气)的圆孔阵列，这种结构不仅可以完成许多传统光电子器件难以实现的新功能，还使得波长量级(微米尺寸)器件的光子集成回路成为可能，因而获得了广泛的关注(Vlasov,O’Boyle,Hamann,&McNab,Active control of slow light on a chip with photonic crystalwaveguides[J].Nature 2005,438(7064):65-69)。
近年来，利用光子晶体波导结构设计光学力控制微粒位置的研究已有报道。例如利用带有微腔的光子晶体结构实现微粒捕获(Nicolas Descharmes,Ulagalandha PerumalDharanipathy,Zhaolu Diao,Mario Tonin,and Romuald Houdre.Observation ofBackaction and Self-Induced Trapping in a Planar Hollow Photonic CrystalCavity,Physical Review Letters,2013,110(12):12361)，或利用带有狭缝的光子晶体波导进行微粒的输运(Pin-Tso Lin and Po-Tsung Lee.Efficient transportation ofnano-sized particles along slotted photonic crystal waveguide,Optics Express,2011,30(3):3192-3199)。然而，这些方法均无法精确控制微粒位置的变化。此外，也有研究报导利用不同波长的光信号控制微粒在光子晶体中的位置(Pin-Tso Lin and Po-TsungLee.All-optical controllable trapping and transport of subwavelengthparticles on a tapered photonic crystal waveguide,Optics Letters,2011,36(3),424-426)。然而，这需要引入大量的具有不同工作波长的激光器，将会极大地提高仪器设备的价格与复杂度。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，利用二维光子晶体波导的带隙效应、硅基材料的热光调控机理及光学力，实现小体积、轻量化和高精度的微粒空间位置的控制。
本发明的技术解决方案是：
一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，包括：
硅衬底、二氧化硅衬底、硅平板、金属钛-铝电极和介质覆盖层；
硅衬底用于承载整个微粒精密控制器结构，二氧化硅衬底位于硅衬底之上，用于支撑硅平板；硅平板位于二氧化硅衬底之上，用于制作二维硅光子晶体波导与续接波导；所述二维硅光子晶体波导与续接波导是在所述硅平板上制作而成；金属钛-铝电极位于硅平板上方，用于加热二维硅光子晶体波导；介质覆盖层位于硅平板上方，将金属钛-铝电极夹在介质覆盖层和硅平板中间并且将金属钛-铝电极覆盖；二维硅光子晶体波导与续接波导的上方为空，二维硅光子晶体波导与续接波导的下方与硅衬底上表面之间为空。
二维硅光子晶体波导包括线缺陷、在硅平板上刻蚀出的圆孔阵列和单缝；单缝位于线缺陷的中部且沿线缺陷的方向，圆孔阵列关于所述单缝对称分布；续接波导分别位于二维硅光子晶体波导的输入、输出端，用于传输光信号，续接波导的宽度与线缺陷宽度相同，每个续接波导上的缝隙与所述单缝连通，缝隙宽度与连接处的单缝宽度相同且保持不变。
所述二维硅光子晶体波导沿线缺陷方向的长度不小于10a，二维硅光子晶体波导的宽度不小于8a，a为基准晶格周期长度，取值范围为λ/3到λ/5之间，λ为入射光波长。
所述线缺陷的宽度范围为0.7W0-1.3W0，W0＝1.732a；单缝的基准缝宽d的取值范围为0.1r-3r；其中，r为基准圆孔半径，取值范围为0.2a～0.4a之间。
二维硅光子晶体波导上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导输入端的圆孔半径为基准圆孔半径r，圆孔半径从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，半径最小的圆孔为0.95r～0.85r。
二维硅光子晶体波导上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导输入端的晶格周期长度为基准晶格周期长度a，晶格周期长度从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐增大，最大的晶格周期长度为1.02a。
二维硅光子晶体波导上单缝的宽度按照如下方式：最靠近二维硅光子晶体波导输入端的单缝宽度为基准缝宽d，缝宽从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，最小缝宽为0.8d。
所述金属钛-铝电极厚度为100nm-200nm，长度与二维硅光子晶体波导的总长度相等，宽度在500nm-3000nm之间，通过电极接触或金属线与外部电源连接。
所述介质覆盖层厚度大于1μm，用于隔离金属钛-铝电极与外界环境；介质覆盖层采用聚二甲基硅氧烷材料，利用紫外光固化在硅平板表面。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用圆孔半径与晶格周期渐变的二维硅光子晶体波导结构，实现传输方向上的带隙调控。
(2)引入空气桥与狭缝结构，提高光场密度，从而提高光操控效率。
(3)采用折射率调控的方式，仅用单波长激光信号与电信号即可控制微粒的位置，降低成本。
附图说明
图1是本发明的三维图；
图2是本发明的俯视图；
图3为本发明正视图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明提供了一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，包括：硅衬底1、二氧化硅衬底2、硅平板3、金属钛-铝电极6和介质覆盖层7；
硅衬底1用于承载整个微粒精密控制器结构，二氧化硅衬底2位于硅衬底1之上，用于支撑硅平板3；硅平板3位于二氧化硅衬底2之上，用于制作二维硅光子晶体波导4与续接波导5；所述二维硅光子晶体波导4与续接波导5是在所述硅平板3上制作而成；金属钛-铝电极6位于硅平板上方，用于加热二维硅光子晶体波导4；介质覆盖层7位于硅平板上方，将金属钛-铝电极6夹在介质覆盖层7和硅平板3中间并且将金属钛-铝电极6覆盖；二维硅光子晶体波导4与续接波导5的上方为空，二维硅光子晶体波导4与续接波导5的下方与硅衬底1上表面之间为空。
二维硅光子晶体波导4包括线缺陷、在硅平板3上刻蚀出的圆孔阵列和单缝；单缝位于线缺陷的中部且沿线缺陷的方向，圆孔阵列关于所述单缝对称分布；续接波导5分别位于二维硅光子晶体波导4的输入、输出端，用于传输光信号，续接波导5的宽度与线缺陷宽度相同，每个续接波导5上的缝隙与所述单缝连通，缝隙宽度与连接处的单缝宽度相同且保持不变。
所述二维硅光子晶体波导4沿线缺陷方向的长度不小于10a，二维硅光子晶体波导4的宽度不小于8a，a为基准晶格周期长度，取值范围为λ/3到λ/5之间，λ为入射光波长。晶格周期是指相邻圆孔中心间距。
所述线缺陷的宽度范围为0.7W0-1.3W0，W0＝1.732a；单缝的基准缝宽d的取值范围为0.1r-3r；其中，r为基准圆孔半径，取值范围为0.2a～0.4a之间。
二维硅光子晶体波导4上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导4输入端的圆孔半径为基准圆孔半径r，圆孔半径从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，半径最小的圆孔为0.95r～0.85r。
二维硅光子晶体波导4上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导4输入端的晶格周期长度为基准晶格周期长度a，晶格周期长度从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐增大，最大的晶格周期长度为1.02a。
二维硅光子晶体波导4上单缝的宽度按照如下方式：最靠近二维硅光子晶体波导4输入端的单缝宽度为基准缝宽d，缝宽从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，最小缝宽为0.8d。
所述金属钛-铝电极6厚度为100nm-200nm，长度与二维硅光子晶体波导4的总长度相等，宽度在500nm-3000nm之间，通过电极接触或金属线与外部电源连接。
所述介质覆盖层7厚度大于1μm，用于隔离金属钛-铝电极6与外界环境；介质覆盖层7采用聚二甲基硅氧烷材料，利用紫外光固化在硅平板3表面。
上述微粒精密控制器的工作原理如下：光束会将微粒局域在其截止的位置。二维硅光子晶体波导4的圆孔阵列对其中传播的光束具有局域作用，其沿线缺陷方向的渐变结构可以影响光束在二维硅光子晶体波导4中的截止位置。通过外加电信号到金属钛-铝电极6上，可以精确控制光束在二维硅光子晶体波导4中的截止位置，从而实现微粒位置的精密控制。
当微粒精密控制器控制时，首先接通光信号，并将电信号置于初始偏置位置，待微粒被捕捉后，调节电信号，将微粒送入二维硅光子晶体波导4中的所需位置。
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1：
图2显示了本发明一实施例的结构图。选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片，其中的二氧化硅层2厚度为3μm，上部的硅平板3厚220nm。采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺，在硅平板3上制作出缺陷宽度为0.8W0，槽宽100nm，周期长度450nm，空气孔的孔径从125nm沿缺陷方向减小至120nm，总长度18微米的二维硅光子晶体波导4和续接波导5。再依次利用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备金属钛-铝电极6与介质覆盖层7。
在真空环境下，由续接波导5导入控制光场，则在二维硅光子晶体波导4附近游离的微粒将被局域在单缝中。改变外加在金属钛-铝电极6上的电压值，电极将硅平板3加热，使得硅平板3的折射率增大，入射光在二维硅光子晶体周期孔结构4中的截止位置向入射端移动。随外加电压不同，入射光在二维硅光子晶体波导4中的截止位置发生变化，对微粒的束缚位置也随之发生变化。即槽中微粒的位置将随电压变化而变化，实现高精度控制。
实施例2：
图2显示了本发明一实施例的结构图。选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片，其中的二氧化硅层2厚度为3μm，上部的硅平板3厚220nm。采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺，在硅平板3上制作出缺陷宽度为0.8W0，槽宽100nm，圆孔孔径120nm，周期长度从445nm沿缺陷方向增大至450nm，总长度18微米的二维硅光子晶体波导4和续接波导5。再依次利用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备金属钛-铝电极6与介质覆盖层7。
在真空环境下，由续接波导5导入控制光场，则二维硅光子晶体波导4附近游离的微粒将被局域在单槽中。改变外加在金属钛-铝电极6上的电压值，电极将硅平板3加热，使得硅平板3的折射率增大，入射光在二维硅光子晶体波导4中的截止位置向入射端移动。随外加电压不同，入射光在二维硅光子晶体波导4中的截止位置发生变化，对微粒的束缚位置也随之发生变化。即槽中微粒的位置将随电压变化而变化，实现高精度控制。
实施例3：
图2显示了本发明一实施例的结构图。选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片，其中的二氧化硅层2的厚度为3μm，上部的硅平板3厚度为220nm。采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺，在硅平板3上制作出缺陷宽度为W0，槽宽从入射方向沿单槽从120nm减小至110nm，周期长度450nm，小孔孔径130nm，总长度20微米的二维硅光子晶体波导4和续接波导5。再依次利用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备金属钛-铝电极6。
在真空环境下，由续接波导5导入控制光场，则在二维硅光子晶体波导4附近游离的微粒将被局域在单槽中。改变外加在金属钛-铝电极6上的电压值，电极将硅平板3加热，使得硅平板3的折射率增大，入射光在二维硅光子晶体波导4中的截止位置向入射端移动。随外加电压不同，入射光在二维硅光子晶体波导4中的截止位置发生变化，对微粒的束缚位置也随之发生变化。即缝中微粒的位置将随电压变化而变化，实现高精度控制。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于包括：
硅衬底(1)、二氧化硅衬底(2)、硅平板(3)、金属钛-铝电极(6)和介质覆盖层(7)；
硅衬底(1)用于承载整个微粒精密控制器结构，二氧化硅衬底(2)位于硅衬底(1)之上，用于支撑硅平板(3)；硅平板(3)位于二氧化硅衬底(2)之上，用于制作二维硅光子晶体波导(4)与续接波导(5)；所述二维硅光子晶体波导(4)与续接波导(5)是在所述硅平板(3)上制作而成；金属钛-铝电极(6)位于硅平板上方，用于加热二维硅光子晶体波导(4)；介质覆盖层(7)位于硅平板上方，将金属钛-铝电极(6)夹在介质覆盖层(7)和硅平板(3)中间并且将金属钛-铝电极(6)覆盖；二维硅光子晶体波导(4)与续接波导(5)的上方为空，二维硅光子晶体波导(4)与续接波导(5)的下方与硅衬底(1)上表面之间为空；
二维硅光子晶体波导(4)包括线缺陷、在硅平板(3)上刻蚀出的圆孔阵列和单缝；单缝位于线缺陷的中部且沿线缺陷的方向，圆孔阵列关于所述单缝对称分布；续接波导(5)分别位于二维硅光子晶体波导(4)的输入、输出端，用于传输光信号，续接波导(5)的宽度与线缺陷宽度相同，每个续接波导(5)上的缝隙与所述单缝连通，缝隙宽度与连接处的单缝宽度相同且保持不变。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：所述二维硅光子晶体波导(4)沿线缺陷方向的长度不小于10a，二维硅光子晶体波导(4)的宽度不小于8a，a为基准晶格周期长度，取值范围为λ/3到λ/5之间，λ为入射光波长。
3.根据权利要求2所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：所述线缺陷的宽度范围为0.7W0-1.3W0，W0＝1.732a；单缝的基准缝宽d的取值范围为0.1r-3r；其中，r为基准圆孔半径，取值范围为0.2a～0.4a之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：二维硅光子晶体波导(4)上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导(4)输入端的圆孔半径为基准圆孔半径r，圆孔半径从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，半径最小的圆孔为0.95r～0.85r。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：二维硅光子晶体波导(4)上分布的圆孔阵列按照如下方式排布：最靠近二维硅光子晶体波导(4)输入端的晶格周期长度为基准晶格周期长度a，晶格周期长度从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐增大，最大的晶格周期长度为1.02a。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：二维硅光子晶体波导(4)上单缝的宽度按照如下方式：最靠近二维硅光子晶体波导(4)输入端的单缝宽度为基准缝宽d，缝宽从输入端沿线缺陷方向向输出端方向逐渐减小，最小缝宽为0.8d。
7.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：所述金属钛-铝电极(6)厚度为100nm-200nm，长度与二维硅光子晶体波导(4)的总长度相等，宽度在500nm-3000nm之间，通过电极接触或金属线与外部电源连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于二维光子晶体的微粒精密控制器，其特征在于：所述介质覆盖层(7)厚度大于1μm，用于隔离金属钛-铝电极(6)与外界环境；介质覆盖层(7)采用聚二甲基硅氧烷材料，利用紫外光固化在硅平板(3)表面。
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