[發明專利]一種交叉偏振式折射率生化傳感器

有效

• 申請號: 201410461840.8
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104266977B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 蔣立勇;張偉;高佳妮;閆丹;方明山;李相銀
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N21/23
• 分類號: G01N21/23
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 馬魯晉

技術領域

本發明屬于光學生化傳感器領域，具體涉及一種交叉偏振式折射率生化傳感器。

背景技術

目前，二維光子晶體已經被廣泛的應用于光學生化傳感領域。其光子帶隙效應和光子局域化效應可以極大的增強光與被檢測物質的相互作用，因而有利于提高光學生化傳感器的探測極限。與此同時二維光子晶體生化傳感器具備天然的通道，且制備工藝相對簡單，適合未來光流控芯片的集成。

另一方面，目前所報道的二維光子晶體生化傳感器都是在某一種特定偏振方式下進行工作的。特別的，絕大部分的二維光子晶體生化傳感器都是空氣孔型陣列結構且在TE偏振(橫電波)方式下進行工作。例如文獻一(M.Huang,A.A.Yanik,T.Y.Chang,and?H.Altug,Sub-wavelength?nanofluidics?in?photonic?crystal?sensors,Optics?Express?2009,17(26),24224-24233.)和文獻二(M.A.Dundar,E.C.I.Ryckebosch,R.Notzel,F.Karouta,L.J.van?Ijzendoorn,and?R.W.van?der?Heijden,Sensitivities?of?InGaAsP?photonic?crystal?membrane?nanocavities?to?hole?refractive?index,Optics?Express?2010,18(5),4049-4056.)所公開的二維光子晶體生化傳感器，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，利用二維光子晶體的帶隙邊緣隨環境折射率變化而發生移動來進行折射率傳感。這種二維光子晶體生化傳感器只在TE偏振方式下進行工作，且傳感靈敏度較低，普遍在500nm/RIU以下。

發明內容

本發明的目的在于提供一種交叉偏振式折射率生化傳感器。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種交叉偏振式折射率生化傳感器，包括基底平板和輸入-輸出端連接波導，輸入-輸出端連接波導位于基底平板的兩側，基底平板上刻蝕形成空氣環單元陣列構成二維環形光子晶體，所述空氣環單元陣列中的空氣環按照三角晶格形式周期排列，輸入-輸出端連接波導的寬度W為[1.7321a-2R,1.7321a+2R]，其中，a為晶格周期即相鄰兩個空氣環中心點之間的距離，r為空氣環的內圓半徑，R為空氣環的外圓半徑。

空氣環的外圓半徑R取值范圍為[0.45a，0.49a]，空氣環的內圓半徑r的取值范圍為[0.4R，0.6R]。

所述基底平板的基底材料為SOI、鍺或者砷化鎵。

所述二維環形光子晶體對環境折射率變化的相對靈敏度S為：

S＝[1/f_TE(n₂)-1/f_TM(n₁)]-[1/f_TE(n₁)-1/f_TM(n₂)]

其中TE和TM表示電磁波的兩種偏振方式，TE為橫電波，TM為橫磁波；f_TE/TM(n₁)和f_TE/TM(n₂)分別表示二維環形光子晶體的空氣環中填充折射率分別為n₁和n₂的介質時對應的TE/TM偏振波帶隙的上邊緣歸一化頻率。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在于，本發明通過將傳統的二維光子晶體中的空氣孔單元替換成空氣環單元，并采用全新的雙偏振交叉法來進行折射率傳感工作，不僅能夠大幅提高傳感器靈敏度，而且具有較好的工作穩定性和便利性。

附圖說明

圖1是本發明交叉偏振式折射率傳感器結構示意圖。

圖2是本發明交叉偏振式折射率傳感器光子帶隙示意圖。

圖3是本發明交叉偏振式折射率傳感器的靈敏度隨環境折射率變化示意圖。

圖4是本發明交叉偏振式折射率傳感器的傳感工作示意圖，其中圖(a)為環境折射率為1.3時TE偏振波以及環境折射率為1.4時TM偏振波的反射譜，圖(b)為環境折射率為1.3時TM偏振波以及環境折射率為1.4時TE偏振波的反射譜。

具體實施方式

本發明基于二維光子晶體的帶隙效應提出了雙偏振交叉比較法來定義傳感器的工作方式并以二維環形光子晶體為模型構建一種交叉偏振式折射率生化傳感器。