基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器

技术领域

本发明专利涉及微纳光学器件技术领域，特别是涉及一种基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器。

背景技术

近年来，微纳集成光学传感器被广泛应用于生物探测、环境检测、生化分析等领域。构建微纳集成光学传感器常用的功能单元有微环谐振器、光子晶体波导、亚波长光栅等。相比于其他功能单元，亚波长光栅结构是一种较好的选择，易于与入射光源垂直耦合。通过设计光栅单元结构，可以有效调控光栅的漏模谐振，增强漏模光场与检测液体的相互作用，提升光学传感器件的性能指标。但是传统的亚波长光栅结构难以实现高品质因子Q(Q-factor)和高灵敏度S(sensitivity)的光学生物传感，近年来，一种特殊的亚波长结构高对比度光栅(High-contrast grating，HCG)成为研究热点，特别是基于HCG的光学生物传感器备受人们关注。然而，普通的HCG难以实现高灵敏度和高品质因子的光学生物传感。构筑新型HCG微纳结构，利用微纳结构调控局域光场，增加局域光场与检测物质的相互作用可以提升器件的灵敏度；利用复合光栅结构增加光栅对局域光场的束缚能力，可以提升光学生物传感器的品质因子。基于上述思想，我们提出一种基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器的专利申请。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器，本发明在传统高对比度光栅的基础之上增加了基座式结构和复合光栅结构，基座式结构增强了局域光场与检测物质的相互作用，复合光栅结构增强了对局域光场的束缚能力。通过设计基座式复合光栅结构、调整光栅的结构参数，实现对不同模式的调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器，包括：光栅层、中间层和基底，从上到下依次为光栅层、中间层、基底，所述结构包括若干周期性单元，每个周期性单元包括两个光栅，所述光栅的光栅横截面为矩型。所述中间层是通过对二氧化硅进行局部刻蚀形成的基座式结构。

进一步的，所述复合光栅层采用高折射率材料，为Si或αSi。

进一步的，所述中间层采用低折射材料，为SiO

进一步的，所述基底采用高折射材料，为Si。

进一步的，所述集成光学传感器通过改变相邻两个光栅之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变一个周期内单个光栅的宽度可以调控光栅的单双峰模态，实现高通量传感、多组分检测，通过延长二氧化硅的刻蚀深度可以调控光栅的法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，F-P腔)模式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器，主要由光栅层、中间层和基底组成，该传感器用于液体传感时，可以通过非对称式地改变复合光栅的宽度实现双峰传感，结构简单，加工方便，通过改变相邻两个光栅之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变一个周期内单个光栅的宽度可以调控光栅的单双峰模态，实现多参量传感，通过延长二氧化硅的刻蚀深度可以调控光栅的F-P腔模式，从而实现对品质因子的调控。该传感器由全介质材料构成，无损耗，拥有较高灵敏度的同时，还能获得很高的品质因子，在微纳光学器件领域的纳米级传感方面具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例一光学传感器在复合光栅间距改变时的演变反射光谱；

图3为本发明实施例一光学传感器的谐振峰随待测物质折射率变化时的反射光谱；

图4为本发明实施例一光学传感器改变二氧化硅刻蚀深度时谐振峰的演变反射光谱；

图5为本发明实施例一光学传感器在复合光栅的宽度改变时单双谐振峰的演变反射光谱；

附图标记说明：1、基底；2、中间层；3、复合光栅层；4、光栅。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在传统高对比度光栅的基础之上增加了基座式结构和复合光栅结构，基座式结构增强了局域光场与检测物质的相互作用，复合光栅结构增强了对局域光场的束缚能力。通过设计基座式复合光栅结构、调整光栅的结构参数，实现对不同模式的调控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器，包括：基底1、中间层2和复合光栅层3，复合光栅层3包括若干周期性单元，每个周期性单元包括两个光栅4，所述光栅4的光栅横截面为矩形，通过改变相邻两个光栅4之间的间距调控光栅的漏模谐振模式；通过改变其中一个光栅4的宽度可以调控光栅的单双峰模态，实现高通量传感、多组分检测；通过延长二氧化硅的刻蚀深度可以调控光栅的F-P腔模式，从而实现对品质因子的调控。

所述复合光栅层采用高折射率材料，为Si(硅)、αSi(非晶体硅)等。

所述中间层采用低折射材料，为SiO

所述基底采用高折射材料，为Si(硅)。

复合光栅中的两个光栅可以是对称的也可以是非对称的。本发明实施例中复合光栅层对称地设置在所述中间层2的上面。所述集成光学传感器通过改变检测物质的折射率变化实现液体折射率传感；通过检测两个光栅中其中一个光栅宽度的变化引起谐振峰的单双峰变化，实现检测液体中生物分子的细胞识别；通过非对称式地改变复合光栅的宽度，实现高通量传感、多组分检测。

在本发明实施例中，所述基底1选用的是折射率为3.48的硅(Si)，中间层2选用的是折射率为1.44的二氧化硅(SiO

如图1所示，本发明实施例一中，所述周期性单元内包括两个光栅，两个光栅的高度为h＝600nm，中间层的总厚度(t+g)为1100nm，中间层分为两部分，一部分为底座，高度g＝300nm；另一部分为基柱，高度为t＝800nm。两个光栅的宽度分别为w

针对实施例一，图2展示了一个周期内两个相同的光栅4(两个光栅的宽度w

针对实施例一，图3展示了当中间层二氧化硅的刻蚀深度t＝800nm时(w

针对实施例一，图4展示了当两个相邻光栅宽度w

针对实施例一，图5展示了当两个光栅宽度w

通过图2、图4和图5的分析，发现当一个周期内两个光栅为对称式结构时(w

本发明提供的基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器是一种基于全介质结构的高对比度传感器件，通过增加基座式结构，在高灵敏度的基础上实现高Q值传感。传统光栅传感器中通常存在S与Q相互制约的问题，本发明中增加了基座式复合光栅结构，通过合理设计周期性单元内光栅的宽度、间距和刻蚀深度以及低折射率的夹层厚度等结构参数，调控光栅的不同模式，实现对不同折射率液体待测物质的检测，并且可以实现高通量传感、多组分检测，在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。

综上，本发明提供的基于基座式高对比度复合光栅的光学折射率传感器的技术优势体现在：(1)全介质结构的光学传感器无损耗，结构简单，使用寿命长；(2)本发明提出的基座式复合光栅结构(基座式结构增强了局域光场与检测物质的相互作用，复合光栅结构增强了对局域光场的束缚能力)，在高灵敏度的基础上，实现高Q值传感；(3)本发明提出的结构可以通过改变二氧化硅的刻蚀深度或相邻两个光栅的间距，改变反射光谱的线宽，从而优化传感性能；(4)反射谱中出现的两个谐振峰可以通过调控一个周期内单个光栅的宽度，灵活控制单双峰的演变；(5)本发明所述的光学传感器通过改变检测物质的折射率变化实现液体折射率传感；通过检测复合光栅中其中一个光栅宽度的变化引起谐振峰的波长漂移和单双峰的变化，实现检测物质中生物细胞的识别；(6)可以通过非对称式地改变复合光栅的宽度，实现高通量传感、多组分检测。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。