CN107727611B - 一种基于一维光子晶体的soi微环光子生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，包括输入输出直波导和微环谐振腔，输入输出直波导与微环谐振腔耦合构成单直波导耦合微环腔，微环谐振腔是刻蚀有一维光子晶体的微环，微环上刻蚀的一维光子晶体包括由非均匀孔和在非均匀孔两端刻蚀的均匀孔构成。该生物传感器通过在普通微环上刻蚀一维光子晶体，由于一维光子晶体的与微环共同的作用，使得透射谱线形成Autler–Townes splitting(ATS)，通过测量分裂开的两个峰值之间个相对距离的变化来探测溶液折射率和浓度的变化信息。

Description

一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器
技术领域
本发明属于对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术领域，具体涉及一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器。
背景技术
生物传感器集成了生物、化学、物理、信息学等多学科，其利用高敏感性材料作为识别元件将生物学信息如物质浓度、吸附反应、生化反应等转换为易于处理的电、光等物理信号，让后通过探测器对这些信号进行探测，从而达到对生物物质进行快速分析与追踪的目的。故生物传感器在环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义。而以光为探测机制的光学生物传感器(optical biosensor)，由于与其他类型的生物传感器相比，光学生物传感器具有非破坏性、灵敏度高、响应快速等诸多的优点，目前正在受到广泛的研究。
SOI光学生化传感器是本领域的研究热点，从现有的基于SOI的光学生化传感器来看，大多采用了倏逝波探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，又叫消逝波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，通过检测所述的光学生化传感器的光波导的倏逝波以探测样本生物化学分子。其原理在于待测样本中生物化学分子会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变(表现为光学生化传感器的倏逝场发生变化)，也即将样本中的生物化学分子浓度信号转换为光信号变化。目前光学生化传感器的光波导结构有包括微环腔、微盘腔、微球腔、光子晶体微腔等结构。对基于光学谐振腔结构的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在光学谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位(或强度)等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。
当前，普通微环光子生物传感可以做得非常微小，并且表现出很好的传感性能，但是其自由光谱范围较小使得其探测范围较小，而且其灵敏度相对来说较低。
发明内容
本发明的目的是解决普通微环光子生物传感的自由光谱范围较小和灵敏度较低的问题，在普通微环光子生物传感的基础上，提出了基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，包括输入输出直波导和带有一维光子晶体的微环谐振腔，所述输入输出直波导与微环谐振腔在耦合点处进行耦合，耦合构成单直波导耦合微环腔，所述一维光子晶体包括在微环上刻蚀的若干个非均匀圆孔构成的非均匀一维光子晶体，以及在非均匀一维光子晶体两边刻蚀的若干均匀圆孔构成的均匀一维光子晶体。
优选地，所述输入输出直波导与微环谐振腔的耦合间距为0.1～0.2μm。
优选地，所述一维光子晶体在微环上关于耦合点呈中心对称分布。
优选地，所述一维光子晶体的中心圆孔的半径为r0，在微环上向中心圆孔两边对称分布的其它非均匀圆孔的半径分别为r1、r2、……、rN，均匀孔的半径为rN，所述r0>r1>r2>……>rN。
优选地，所述中心圆孔的半径r0为0.12～0.14μm，均匀孔的半径为rN为0.09～0.11μm。
优选地，所述非均匀圆孔的个数为2N+1，N为5～7的整数。
优选地，所述均匀圆孔的个数为3～6个。
优选地，所述一维光子晶体的周期T，即孔与孔之间的间距为0.30～0.35μm。
优选地，所述非均匀圆孔和均匀圆孔的刻蚀深度均等于微环的厚度。
优选地，所述微环谐振腔的半径为4～10um，所述微环的宽度为0.40～0.50um，所述输入输出直波导的宽度为0.35～0.40um。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，通过在普通微环上刻蚀一维光子晶体，由于一维光子晶体与微环共同的作用，，会使得透射谱线形成Autler–Townes splitting(ATS)，其传感原理是通过测量分裂开的两个峰值之间个相对距离的变化来探测溶液折射率和浓度的变化信息。该生物传感器构思巧妙，结构简单，具有很强的实用价值，值得在业内推广。
附图说明
图1是本发明基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器的结构示意图；
图2为本发明的微环谐振腔上刻蚀的非均匀圆孔缺陷一维光子晶体的示意图；
图3为直波导上刻蚀的非均匀圆孔缺陷一维光子晶体的示意图；
图4为图3所示直波导上刻蚀的非均匀圆孔缺陷一维光子晶体的透射谱线图；
图5为图1所示生物传感器的Autler–Townes splitting(ATS)谱线。
附图标记说明：11、输入输出直波导；12、微环谐振腔；13、耦合点；201～204、216～219、均匀圆孔；205～215、非均匀圆孔；31、33、直波导上分布的均匀圆孔；32、直波导上分布的非均匀圆孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，包括一个输入输出直波导11和一个微环谐振腔12。输入输出直波导11与微环谐振腔12在耦合点13处进行耦合，构成单直波导耦合微环。微环谐振腔12上刻蚀有一维光子晶体。一维光子晶体包括在微环上刻蚀的若干个非均匀圆孔构成的非均匀一维光子晶体，以及在非均匀一维光子晶体两边刻蚀的若干均匀圆孔构成的均匀一维光子晶体。
输入输出直波导11与微环谐振腔的耦合间距优选为0.1～0.2μm。一维光子晶体在微环上关于输入输出直波导11与微环谐振腔的耦合点13呈中心对称分布。非均匀圆孔的个数为2N+1，N为5～7的整数。非均匀圆孔缺陷一维光子晶体的周期T，即圆孔与圆孔之间的间距优选0.30～0.35μm。微环谐振腔12的半径优选为5～10um，微环的宽度优选为0.40～0.45um，输入输出直波导11的宽度优选为0.30～0.35um。非均匀圆孔和均匀圆孔的刻蚀深度均等于微环的厚度。
如图2所示，微环上刻蚀的一维光子晶体，包括非均匀圆孔205～215构成的非均匀一维光子晶体，以及均匀圆孔201～204、216～219构成的均匀一维光子晶体。在本实施例中，非均匀圆孔的个数为11个。均匀圆孔的个数为8个，一侧分布4个。非均匀圆孔210，即一维光子晶体的中心圆孔，其半径为r0，非均匀圆孔209、211的半径为r1，非均匀圆孔208、212的半径为r2，非均匀圆孔207、213的半径为r3，非均匀圆孔206、214的半径为r4，非均匀圆孔205、215的半径为r5；所述r0>r1>r2>r3>r4>r5，且各个非均匀圆孔的半径满足：
Figure BDA0001417528190000031
在本实施例中，其中耦合间距为0.12μm，中心圆孔210的半径r0为0.125um，均匀圆孔201～204、216～219的半径为r5为0.092um，一维光子晶体的周期T为0.315um。微环谐振腔12的半径为4.92um，微环的宽度为0.45um，输入输出直波导11的宽度为0.39um。非均匀圆孔和均匀圆孔的刻蚀深度均等于微环的厚度。
如图3所示，在直波导上刻蚀一维光子晶体，其由若干非均匀圆孔32，以及若干数量的均匀圆孔31、33组成，由这三部分构成的微腔能有效地减小由于完全光子带隙造成的辐射损耗，提高周期波导微腔的Q值，其透射谱线如图4所示。本发明将图3所示的微腔引入到普通微环中构成如图1所示的单直波导耦合微环腔，当外部入射的光通过输入直波导11右端注入到整个器件中，在13处通过消逝场耦合，部分光功率耦合进入硅基微环谐振腔12，由于硅基微环和硅基微环上的非均匀圆孔缺陷一维光子晶体的共同作用，会形成如图5所示的Autler–Townes splitting(ATS)谱线，ATS在生化传感领域由于其具有自参考的特性，其能有效降低噪声对传感器的影响。利用ATS传感的原理是通过分裂开的两个峰值之间个相对距离的变化来探测溶液折射率的变化。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：包括输入输出直波导(11)和带有一维光子晶体的微环谐振腔(12)，所述输入输出直波导(11)与微环谐振腔(12)在耦合点(13)处进行耦合，耦合构成单直波导耦合微环腔，所述一维光子晶体包括在微环上刻蚀的若干个非均匀圆孔构成的非均匀一维光子晶体，以及在非均匀一维光子晶体两边刻蚀的若干均匀圆孔构成的均匀一维光子晶体；
一维光子晶体的中心圆孔的半径为r0，在微环上向中心圆孔两边对称分布的其它非均匀圆孔的半径分别为r1、r2、……、rN，均匀孔的半径为rN，所述r0>r1>r2>……>rN；
且各个非均匀圆孔的半径满足：
Figure FDA0002567195810000011
2.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述输入输出直波导(11)与微环谐振腔的耦合间距为0.1～0.2μm。
3.根据权利要求2所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述一维光子晶体在微环上关于耦合点(13)呈中心对称分布。
4.根据权利要求3所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述中心圆孔的半径r0为0.12～0.14μm，均匀孔的半径为rN为0.09～0.11μm。
5.根据权利要求3所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述非均匀圆孔的个数为2N+1，N为5～7的整数。
6.根据权利要求3所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述均匀圆孔的个数为3～6个。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述一维光子晶体的周期T，即孔与孔之间的间距为0.30～0.35μm。
8.根据权利要求1-6任一所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述非均匀圆孔和均匀圆孔的刻蚀深度均等于微环的厚度。
9.根据权利要求1-6任一所述的基于一维光子晶体的SOI微环光子生物传感器，其特征在于：所述微环谐振腔(12)的半径为4～10um，所述微环的宽度为0.40～0.50um，所述输入输出直波导(11)的宽度为0.35～0.40um。
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