[發(fā)明專利]一種二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310572546.X
• 申請日: 2013-11-15
• 公開（公告）號: CN103592720A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣立勇;張偉;蘇巍;李相銀
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)生物傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

目前，光子晶體折射率生物傳感器主要包括一維光子晶體生物傳感器﹑二維光子晶體生物傳感器﹑光子晶體光纖生物傳感器和三維光子晶體生物傳感器。其中，由于二維光子晶體生物傳感器具備天然的通道，且制備工藝相對簡單，更適合未來光流控芯片的集成。但是相對于其他類型的光子晶體生物傳感器，二維光子晶體生物傳感器的性能要相對落后，主要體現(xiàn)為傳感靈敏度較低。

例如文獻(xiàn)一（Skivesen?N,Tetu?A,Kristensen?M,et?al.Photonic-crystal?waveguide?biosensor.Optics?Express,2007,15(6):3169-3176.）和文獻(xiàn)二（Buswell?SC,Wright?VA,Buriak?JM,Van?V,Evoy?S.Specific?detection?of?proteins?using?photonic?crystal?waveguides.Optics?Express2008,16(20):15949-15957）所公開的二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，其特點是在硅絕緣體（SOI）晶圓上通過刻蝕形成一定晶格類型的空氣孔，并在水平方向上移去一排空氣孔構(gòu)成線缺陷波導(dǎo)。這種二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器的傳感靈敏度低，普遍在300nm/RIU以下，同時由于線缺陷波導(dǎo)中存在基模-奇模、基模-偶模、高階模-奇模、高階模-偶模四種模式，容易發(fā)生多模串?dāng)_現(xiàn)象，影響傳感器的工作穩(wěn)定性。因此，設(shè)計一種能夠提高傳感靈敏度并能很好保持工作穩(wěn)定性的二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器很有必要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種新的二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，解決現(xiàn)有二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器存在的傳感靈敏度低、工作狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題，提出一種二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，包括基底平板和輸入-輸出端連接波導(dǎo)，其特征在于，在基底平板表面的中間位置刻蝕基底材料形成空氣狹縫波導(dǎo)，在空氣狹縫波導(dǎo)的兩側(cè)刻蝕基底材料形成空氣環(huán)單元陣列。

本發(fā)明還提出一種制備上述二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器的方法，具體制備過程為：

將SOI基片表面進行清洗，采用聚焦離子刻蝕方法在SOI基片頂層硅表面刻蝕輸入-輸出端連接波導(dǎo)，用N2干燥SOI基片后在基片表面涂上PMMA正性光刻膠；對SOI基片甩膜后將基片放在烘膠臺上烘烤，完成前烘處理；將固膠后的SOI基片放在電子束下曝光，曝光圖案為包含空氣環(huán)單元結(jié)構(gòu)和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形，將曝光后的基片放在mad332溶液中顯影，將空氣環(huán)單元結(jié)構(gòu)和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形轉(zhuǎn)移到PMMA正性光刻膠上，顯影后采用N2干燥然后放入SF6等離子體中進行反應(yīng)刻蝕，此時空氣環(huán)單元結(jié)構(gòu)和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形就從PMMA正性光刻膠上轉(zhuǎn)移到SOI基片頂層硅上，最后將殘留的光刻膠洗去。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于，本發(fā)明通過將傳統(tǒng)的二維光子晶體平板波導(dǎo)中的空氣孔單元替換成空氣環(huán)單元，可以實現(xiàn)對折射率變化具有更高的傳感靈敏度；通過將傳統(tǒng)的二維光子晶體平板波導(dǎo)中的線缺陷波導(dǎo)替換成空氣狹縫波導(dǎo)，可以有效抑制波導(dǎo)中的多模串?dāng)_現(xiàn)象，從而提高生物傳感器的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器能帶模式示意圖。

圖3是本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器的傳感過程示意圖。

圖4是本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器的制備流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，包括基底平板1和輸入-輸出端連接波導(dǎo)3，在基底平板1表面的中間位置刻蝕基底材料形成空氣狹縫波導(dǎo)2，在空氣狹縫波導(dǎo)2的兩側(cè)刻蝕基底材料形成空氣環(huán)單元陣列。

本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，其空氣環(huán)單元陣列中的空氣環(huán)按照三角晶格形式排列。另外，空氣環(huán)也可以以方晶格或者蜂窩晶格形式排列形成空氣環(huán)單元陣列。

本發(fā)明二維光子晶體波導(dǎo)生物傳感器，設(shè)空氣環(huán)的外圓半徑為R，空氣環(huán)的內(nèi)圓半徑為r，晶格周期即相鄰兩個空氣環(huán)中心點之間的距離為a，則

作為一種優(yōu)選方案，空氣環(huán)外圓半徑R的取值范圍為在0.35a至0.45a之間，空氣環(huán)內(nèi)圓半徑r的取值范圍在0.5a至0.75a之間；