[发明专利]一种交叉偏振式折射率生化传感器

说明书

技术领域

本发明属于光学生化传感器领域，具体涉及一种交叉偏振式折射率生化传感器。

背景技术

目前，二维光子晶体已经被广泛的应用于光学生化传感领域。其光子带隙效应和光子局域化效应可以极大的增强光与被检测物质的相互作用，因而有利于提高光学生化传感器的探测极限。与此同时二维光子晶体生化传感器具备天然的通道，且制备工艺相对简单，适合未来光流控芯片的集成。

另一方面，目前所报道的二维光子晶体生化传感器都是在某一种特定偏振方式下进行工作的。特别的，绝大部分的二维光子晶体生化传感器都是空气孔型阵列结构且在TE偏振(横电波)方式下进行工作。例如文献一(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.)和文献二(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.)所公开的二维光子晶体生化传感器，其特点是在硅绝缘体(SOI)晶圆上通过刻蚀形成一定晶格类型的空气孔，利用二维光子晶体的带隙边缘随环境折射率变化而发生移动来进行折射率传感。这种二维光子晶体生化传感器只在TE偏振方式下进行工作，且传感灵敏度较低，普遍在500nm/RIU以下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉偏振式折射率生化传感器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种交叉偏振式折射率生化传感器，包括基底平板和输入-输出端连接波导，输入-输出端连接波导位于基底平板的两侧，基底平板上刻蚀形成空气环单元阵列构成二维环形光子晶体，所述空气环单元阵列中的空气环按照三角晶格形式周期排列，输入-输出端连接波导的宽度W为[1.7321a-2R,1.7321a+2R]，其中，a为晶格周期即相邻两个空气环中心点之间的距离，r为空气环的内圆半径，R为空气环的外圆半径。

空气环的外圆半径R取值范围为[0.45a，0.49a]，空气环的内圆半径r的取值范围为[0.4R，0.6R]。

所述基底平板的基底材料为SOI、锗或者砷化镓。

所述二维环形光子晶体对环境折射率变化的相对灵敏度S为：

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

其中TE和TM表示电磁波的两种偏振方式，TE为横电波，TM为横磁波；f_TE/TM(n₁)和f_TE/TM(n₂)分别表示二维环形光子晶体的空气环中填充折射率分别为n₁和n₂的介质时对应的TE/TM偏振波带隙的上边缘归一化频率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明通过将传统的二维光子晶体中的空气孔单元替换成空气环单元，并采用全新的双偏振交叉法来进行折射率传感工作，不仅能够大幅提高传感器灵敏度，而且具有较好的工作稳定性和便利性。

附图说明

图1是本发明交叉偏振式折射率传感器结构示意图。

图2是本发明交叉偏振式折射率传感器光子带隙示意图。

图3是本发明交叉偏振式折射率传感器的灵敏度随环境折射率变化示意图。

图4是本发明交叉偏振式折射率传感器的传感工作示意图，其中图(a)为环境折射率为1.3时TE偏振波以及环境折射率为1.4时TM偏振波的反射谱，图(b)为环境折射率为1.3时TM偏振波以及环境折射率为1.4时TE偏振波的反射谱。

具体实施方式

本发明基于二维光子晶体的带隙效应提出了双偏振交叉比较法来定义传感器的工作方式并以二维环形光子晶体为模型构建一种交叉偏振式折射率生化传感器。