（物理电子学专业论文）光子晶体在生化传感中的应用研究.pdf

|ilfiii ii i i ii l l l i i iiiil 17 6 0 3 4 2 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 导师签名：里笾乡二蕴l 日期：型孚止 本论文受到以下资助： - 清华大学富士康纳米中心。 _ 科技部9 7 3 项目一纳米尺度亚光波长结构的制备、 光学性质与器件研究( 项目编号：2 0 0 7 c b 9 3 5 3 0 0 ) 。 _ 北京市重点实验室项目一基于光子晶体的新型光电 器件的研究( 项目编号：8 2 0 6 3 0 1 0 ) 。 光子晶体在生化传感中的应用研究 摘要 光子晶体的腔与波导结构是光子晶体的基本结构，由光子晶体腔 或波导构成的结构可以广泛地应用于传感、光通信以及微光电器件设 计等领域。通过研究光子晶体腔与波导的光学特性，进一步研究腔与 波导的耦合特性以及理论模型，在此基础上研究其在生化传感方面的 应用，针对应用进行理论设计和优化，并在实验中做进一步探讨和验 、f 让。 基于平面波展开法，研究光子晶体中腔的各种模式的场的特性以 及光子晶体腔的品质因素与其影响因素；用平面波展开法对三角形结 构的光子晶体波导模式和特性进行简要分析。 基于耦合模式理论对光子晶体的腔与波导的耦合特性进行深入 分析，用法布里一珀罗腔比拟的方式确立光子晶体腔与波导耦合的理 论模型，并在生化传感方面的应用中使用该模型，推出生化传感器的 被测量折射率与光的输出波长的变化成线性关系，光的传输率与 腔的品质因素成反方向变化的关系。 基于上述理论对光子晶体生化传感器进行理论设计和优化。用平 面波展开法，设计和优化了光子晶体的腔的尺寸，并用时域有限差分 法( f d t d ) 对光子晶体腔与波导的耦合结构进行模拟研究，优化选择 了波导以及光子晶体的尺寸，分析光子晶体的腔与波导的品质因素与 光的传输透过率的关系。分析了光子晶体波导与腔的耦合在生化传感 方面应用的理论模型，验证了理论模型的正确性。 用电子束曝光+ 干法刻蚀的方法，加工出优化设计后的光子晶体 液体生化传感器，搭建了测试实验平台，验证了该种液体传感器对样 本折射率的敏感性，其输出光波长与折射率的变化成准线性变化关 系。 关键词光子晶体腔；光子晶体波导；耦合；生化传感；折射率 r e s e a r c ho nb i o c h e m i c a l s e n s i n g a p p l i c a t i o n so fp h o t o n i cc r y s t a l a b s t r a c t a sb u i l d i n gs t r u c t u r e so fp h o t o n i c c r y s t a l ，p h o t o n i cc r y s t a l c a v i t ya n dw a v e g u i d ea r eo fg r e a ti m p o r t a n c ei n a p p l i c a t i o n s ，s u c ha s s e n s i n g ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，a n dm i c r oo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h e o p t ic a lp r o p e r t i e so fp h cc a v i t ya n dw a v e g u i d es h o u l db er e s e a r c h e d c a r e f u l l y , a n dt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e o r e t i c a lm o d e lw i t h i n t h e mn e e d i n v e s t i g a t i n gf u r t h e r m o r e b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，t h e a p p l i c a t i o n s o nb i o c h e m i c a l s e n s i n g a r ei n v o l v e d i n ，i n c l u d i n gt h e a p p r o a c h e s o fd e s i g n ，o p t i m i z a t i o no ft h e s e n s o rd e v i c e sa n dt h e e x p e r i m e n t so ni t t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： t h ef i e l dp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tp h cc a v i t ym o d e sa r es t u d i e db yt h e p l a n ew a v ee x p a n s i o n ( p w e ) m e t h o d ，t h eqf a c t o ro ft h ec a v i t ya n dt h e e f f e c t so ni ta r ed i s c u s s e d u s e dt h ep w em e t h o d t h ew a v e g u i d em o d e s a n di t sc h a r a c t e r i s t i co ft h et r i a n g u l a rl a t t i c ep h c a r ep r e s e n t e d o nt h eb a s i so ft h et i m ed o m a i nc o u p l e d m o d et h e o r y , t h ec o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a v i t ya n d w a v e g u i d ea r ed i s c u s s e di nd e t a i la n dt h e r e l a t i o no fi n v e r s ep r o p o r t i o nb e t w e e nq f a c t o ra n dt r a n s m i s s i o no ft h e c a v i t ya r ed e r i v e d t h ef r e q u e n c yd o m a i nt h e o r e t i c a lm o d e li sd e r i v e db y c o m p a r i n gp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r et of a b r y p e r r o tc a v i t y , a n dt h em o d e l c a nb eu s e di nt h e s e n s i n g o fb i o c h e m i c a lo fp h c ；t h es e n s o r ，s w a v e l e n g t hv e r s u sr e f r a c t i v ei n d e xf i t st h eq u a s i 1 i n e a rf u n c t i o n t h eb i o c h e m i c a l s e n s i n g d e v i c ea r e d e s i g n e d a n do p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et h e o r y t h em i c r o c a v i t ys i z ei sd e s i g n e d a n do p t i m i z e db yt h ep 咂m e t h o da n dt h el e n g t ho ft h ew a v e g u i d ei s a b t a i n e db yt h ef d t dm e t h o d s t h eo p t i m i z e db i o c h e m i c a l s e n s i n gd e v i c e i sf a b r i c a t e db yt h e e x p o s u r ea n dd r ye t c h i n g ，a n dt h ee x p e r i m e n to fp e r f o r m a n c et e s ti sb u i l t t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a n s m i s s i o n w a v e l e n g t h i n p h o t o n i cc r y s t a l b a n d g a po f t h es e n s o rv e r s u st h er e f r a c t i v ei n d e xi ni ti sq u a s i 1 i n e a r k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lc a v i t y ；p h o t o n i cc r y s t a l w a v e g u i d e ； c o u p l i n g ；b i o c h e m i c a ls e n s i n g ；r e f r a c t i v ei n d e x i i 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光子晶体1 1 2 1 光子晶体的基本原理1 1 2 2 光了晶体的研究和计算方法4 1 3 光子晶体的研究现状5 1 4 论文的研究内容和安排7 第二章光子晶体腔与波导结构的特性研究1 0 2 1 本章引言1 0 2 2 光子晶体的结构与特性l o 2 2 1 光子晶体的一般结构1 0 2 2 2 光子晶体的计算方法1 2 2 2 3 光子晶体的色散曲线与禁带1 6 2 3 光子晶体的腔结构1 9 2 3 1 光子晶体的腔的基本概念1 9 2 3 2 光子晶体腔结构的类型1 9 2 3 3 光子晶体腔结构的特性2 0 2 3 4 光子晶体腔结构的性能2 4 2 4 光子晶体的波导结构2 7 2 4 1 光子晶体波导结构的类型2 7 2 4 2 光子晶体波导结构的特性2 7 2 5 本章小结3 1 第三章光子晶体微腔与波导耦合的理论研究3 3 3 1 本章引言3 3 3 2 光子晶体波导与微腔耦合的类型3 3 3 3 光子晶体波导与微腔耦合的时域耦合模式理论3 5 3 4 光子晶体波导与微腔耦合的频域特性3 7 3 4 1 光子晶体波导与微腔耦合的频域理论模型3 7 3 4 2 光在光子晶体波导与微腔耦合结构中的传输特性3 9 3 5 本章小结3 9 i i i 第四章光子晶体生化传感器的模拟与理论研究4 1 4 1 本章引言4 1 4 2 光子晶体液体传感器的模拟与优化研究4 2 4 2 1 液体传感器的结构4 2 4 2 2 液体传感器中的光子晶体微型腔的优化4 2 4 2 3 液体传感器中的光子晶体波导的优化4 9 4 2 4 液体传感器的光子晶体尺寸优化55 4 2 5 液体传感器的性能模拟5 7 4 2 6 液体传感器的优化小结5 8 4 3 光子晶体气体传感器的模拟与优化研究5 9 4 3 1 气体传感器的结构5 9 4 3 2 气体传感器中的光子晶体微型腔的优化5 9 4 3 3 气体传感器中的光子晶体波导的优化6 0 4 3 4 气体传感器的性能模拟6 1 4 3 5 气体传感器的优化小结6 2 4 4 光子晶体传感器与外部波导的连接方式研究6 3 4 5 光子晶体液体与气体传感器的理论模型研究6 4 4 5 1 光子晶体液体与气体传感器的理论模型6 4 4 5 2 光子晶体气体与液体传感器性能分析6 5 4 6 本章小结6 6 第五章光子晶体生化传感器的实验研究6 8 5 1 本章引言6 8 5 2 光子晶体生化传感器的微加工工艺研究6 9 5 2 1 光子晶体生化传感器的微加工工艺流程设计6 9 5 2 2 电子束曝光工艺简介“7 1 5 3 光子晶体生化传感器的测试系统7 2 5 3 1 光子晶体生化传感器的测试系统的设计7 2 5 3 2 光子晶体生化传感器的测试系统中的光学耦合研究7 4 5 3 3 光子晶体生化传感器测试系统的实验调试研究8 0 5 4 生化传感器的传感特性实验结果分析8 1 5 5 传感器性能提高的进一步分析8 7 5 6 本章小结8 8 第六章结论8 9 i v 6 1 论文主要工作总结0 000 8 9 6 2 创新性成果9 0 6 3 展望o o oooo oooooo q oo ooo oo 9 0 参考文献9 1 致j 射9 9 发表的学术论文与研究成果1 0 0 v p h c p b g p 吧 f d t d s e m i c p l e d i t o a c s o i l u u f ，h m p b c p m 【l 砒 t e t m q f a c t o r r c s d 主要符号对照表 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 光子禁带( p h o t o n i cb a n dg a p ) 平面波展开法( p l a n ew a v ee x p a n s i o n ) 时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 感应耦合等离子刻蚀( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ) 发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 钢锡氧化物( i n d i u m t i n o x i d e ) 光子晶体的晶格常数( l a t t i c ec o n s t a n o 真空中的光速 光波的角频率 绝缘体上的硅( s i l i c o n eo ni s o l a t i o n ) 单位折射率( r e f r a c t i v ei n d e xu n i t ) 半高宽( f u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ) 周期性边界条件( p e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n ) 完全匹配层( p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r ) 反应离子束刻蚀( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 横电场( t r a n s v e r s ee l e c t r i cf i e l d ) 横磁场( t r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l d ) 品质因素( q u a l i t yf a c t o r ) 线性回归系数( l i n e a rf i tr e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t ) 标准偏差( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) 。 1 1 引言 第一章绪论 上世纪中期，由于采用能够操纵电子流动的电子带隙材料半导体导致出 现大规模集成电路、计算机、信息高速公路等新的产业。半导体是利用和控制电 子的运动，电子在其中起到决定作用。由于电子是费米子，具有静止质量，同时 电子之间具有库仑相互作用，电子器件的响应时间是1 0 一秒；微电子技术的发展 受到速度、容量和空间相容性方面的限制。因此电子集成的瓶颈和极限出现了。 光子具有电子所没有的优势：它是一种玻色子，其静止质量为零，且光子之 间的相互作用很弱，光子器件的响应速度可以达到l o 。1 2 秒。做为八十年代末提出 的新概念和新材料的光子晶体，光子晶体已成为“光半导体”或“未来的半导体。 它可以控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电 技术和国防科技等现代高新技术的一种新概念材料；随着光子晶体加工方法和工 艺的日趋成熟，这些应用将日益有新的突破和进展。由于其独特的特性，光子晶 体可以制作以前不h , - 匕k 制作的高性能光学器件，如用光子晶体器件代替现有的传感 和探测器件，将使器件结构紧凑，易于集成、性能优异。在光通讯上也有重要的 用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度将会大幅度提 古 同。 从二十世纪九十年代中后期起，光子晶体由于巨大的科学价值和应用前景。 其类似与电子且又超过电子的优越性能必然对未来的光传感、光电子集成、光通 信、微波通讯以及国防科技等领域将产生深刻影响。 1 2 光子晶体 1 2 1 光子晶体的基本原理 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 是1 9 8 7 年由y a b l o n o v i t e he ，j o h ns 【1 2 】提出。电 子在周期势场中传播时，由于电子波受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结 构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是被禁止的。 因此，电子是有禁带的。光子晶体与电子类似。它是由具有不同介电常数的介质 材料在空间按一定的周期排列形成。光波在其中传播时由于布拉格散射受到调制 而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。这种周期性导致在其中传播的光 波的色散曲线形成带状结构，带和带之间可能会出现类似半导体带隙的“光子带 隙 ( p h o t o n i eb a n dg a p ，p b g ) 3 。7 ，频率落在带隙中的光是被禁止传播的，如图 1 1 。由于带隙中没有任何态存在，光子晶体将带来许多新的物理现象和新的应 用前景。 周期性介 金刚石结构的原子金刚石结构的光子晶体 电 端蓄：垂能带图誓 波矢量 光 子 频 率 波矢量 相互作用的费米子弱相互作用的波色子 图1 1 电子和光子的能带结构 光子晶体是由一种介质在另一种介质中周期排列组成的人造晶体，该排列周 期为波长量级。由于自然界中光子晶体很少，只有蛋白石和蝴蝶翅膀等，因此大 多数光子晶体是由人工设计制造出来的。由于光子晶体和半导体晶体某些特性相 似，光子晶体引用了固体物理中的许多概念，如倒格子、布里渊区、色散关系、 布洛赫波等，很多用于研究半导体晶体的方法也可用于光子晶体，但是它们也有 本质的不同。首先光子晶体与半导体晶体结构不同，光子晶体的结构是不同介电 常数介质的周期分布而半导体的是周期性势场；光子晶体研究的对象是电磁波 ( 光) 在晶体中的传播，光子是自旋为1 的玻色子，半导体研究的是电子的行为， 电子是自旋为l 2 的费米子；光服从的是m a x w e l l 方程，电子服从的是薛定谔方 程；光子波是向量波，而电子波是标量波；光子晶体中介质的周期尺度是电磁波 2 ( 光) 波长，而半导体周期性势场是原子尺寸；电子之间有很强的相互作用，而光 子之间没有。光子晶体的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是 禁止传播的。光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射自发辐射的几率与光子 所在频率的态密度成正比，当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光 频率正好落在光子禁带中时，由于该频率的态密度为零，因此自发辐射几率为零， 相应的自发辐射被抑制光子晶体的另一个重要特征是光子局域1 9 8 7 年j o h ns 提出【2 】：在一种经过精心设计的介电材料组成的光子晶体中光子呈现出很强的 a n d e r s o n 局域，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，则在其带隙中会出现频 率极窄的缺陷态，和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，若其偏离 缺陷处，光就将迅速衰减【8 。2 1 。 按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可将其分为一维、二维和三维光 子晶体。通常将只在一个方向上具有光子带隙的材料称为一维光子晶体，一维光 子晶体的介质排列只在一个方向上具有周期性结构，而在另两个方向上是均匀 的，如图1 2 ( a ) 所示。二维光子晶体是指在二维空间两个方向上都具有光子带隙 的材料，这时介质的排列在两个方向上具有周期性结构而在第三个方向上是均匀 的，如图1 2 m ) 中所示。如果存在三维的周期结构，有可能出现全方位的光子禁 带，即三维光子晶体，落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播，如图1 2 ( c ) 所 示。在应用方面，三维光子晶体的三维完全能隙具有重要的应用价值，特别是 红外与可见光波段的三维光子晶体具有巨大的应用潜力。 图1 2 ( a ) 一维、( b ) 二维、( c ) 三维光子晶体 一维光子晶体的制作方法主要有薄膜制备法，该方法的技术已经比较成熟 1 3 - 1 5 】。三维光子晶体的制备相对来说比较复杂，对材料和设计加工都有很高的要 j 匕宝噬电厶堂熊论塞箍：童绪j 金 求。目前发展还不是很成熟。三维加工主要有三维全息法、自组装法等 1 6 - 1 7 。但 是目前很难按设计加工三维光子晶体结构，并且在三维结构中引入缺陷仍然是难 题，成为三维光子晶体的应用障碍。因此，目前用的比较多的是二维光子晶体制 作的光电器件。 二维光子晶体的制作比三维要相对容易，但它却具有三维光子晶体具有的某 些有用特性，因而二维光子晶体成为当前研究最多的一种结构二维光子晶体的 加工方法主要有电子束直写( e l e c t r o nb e a mw r i t i n g ) 【1 5 1 8 】、感应等离子耦合等微加 工工艺【1 8 ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ae t c h i n g ，i c p ) 、激光干涉( i n t e r f e r e n c e l i t h o g r a p h y ) 1 9 】。一维、二维、三维光子晶体经过加工后的扫描电镜图( s e m 图， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) ，如图1 3 。 剖刚剿 _ _ 一 图1 3 ( a ) 一维，( b ) 二维，( c ) 三维光子晶体的s e m 图 ( c ) 1 2 2 光子晶体的研究和计算方法 由于其优越的光学特性，光子晶体的理论与实验研究成为热点问题由于目 前还无法在理论上定量地分析应如何得到具有某一确定范围光子带隙的光子晶 体，所以基本上都是采用先提出某种设计结构和组成，然后再进行理论分析确认 该结构是否具有带隙，最后再探究制造的方法和测试方案。理论研究是基于电磁 场理论分析光子晶体的光学性质，在应用研究方面主要集中在设计一些新的结 构，实现光子晶体器件的一些新的功能。光子晶体在研究其传输特性和设计光电 器件时需要计算和模拟，目前可以采用的方法主要有：平面波展开法( p l a n ew a v e e x p a n s i o n ，p w e ) 2 0 , 2 1 1 、时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ， f d t d ) 2 2 , 2 3 】、传输矩阵法( t r a n s f e rm a t r i x ) 、散射矩阵法( s c a t t e r i n gm a t r i x ) 2 4 等。 本论文研究中计算和模拟工具主要是平面波展开法和时域有限差分法，下面对这 两种方法做简要介绍。 ( 1 ) 平面波法：这是在光子晶体带结构研究中用得较早、用得最多的一种方 法主要是将电磁波在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开，可将麦克斯韦方程 4 组化成一个本征方程，求解本征值就得到传播的光子的频率范围【2 0 ，2 1 1 光子晶体中的光子满足无源麦克斯韦方程。如下式表示： v h ( r ，) = 钿笔竽 v e ( 吖) - _ 纷掣 对于m 为定态的波场，由上式可得 v ( 岛v 州r ) = ( 跏r ， 令算符o = v 南v ，上式变为 占i 厂) o h ( r ) = ( 翁h ( r ) 公式f 1 4 、县一个光子的本征信方稗， ( 1 一1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) h ( r ) 是特征向量，( 詈) 2 是一个本征值。 上述得到本征值的方法可以用来计算光子晶体以及缺陷的色散曲线，该方法 的不足之处是不能够准确计算有吸收材料的色散曲线。该方法使用的相应的计算 软件主要有r s o t 置公司的b a n d s o l v e 2 s l 、m i t 发布的p h o t o n i c b a n d s 2 6 】等。 ( 2 ) 时域有限差分法：是经典的电磁场数值计算方法，模拟光波在光子晶体 内部传播时场的变化和分布。该方法是将计算区域分成网状的小格，列出每个结 点的差分方程，同样将麦氏方程组化成矩阵形式的差分方程组求解【2 3 】。本论文涉 及的光子晶体内部的光子晶体结构的光学性能和光谱分析等主要是采用该方法， 所涉及的软件主要包括o p t w a v e 公司i 拘o p t i f d t d l 27 l $ 1 1 r s o f t 公司的f u l l w a v e 软 件【27 并0 m i t 发布的m e e p l 2 8 】等 1 3 光子晶体的研究现状 光子晶体的理论研究在上世纪九十年末到本世纪初已完成了大量的工作 2 9 - 3 2 j ，光子晶体的腔与光子晶体的波导结构是光子晶体中的基本结构，利用它们 的重要特性可以设计出大量高性能的光子晶体器件。这主要得宜于以下两点：光 子晶体的器件尺寸在微米量级，器件的尺寸可以具有非常小的体积；加工光子晶 体的材料无特殊要求，只需要使用普通的半导体材料，如s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r , 绝缘体上的硅) 、g a a i a s 材料就可以加工光子晶体结构。光子晶体现在已进入 器件设计和应用时期，大量的高性能新型器件被研制出来，主要有光子晶体高性 5 能的反射镜3 3 彤】、波掣3 6 、微腔激光器【3 7 , 3 8 】、棱镜3 9 1 、偏振分束器【4 0 ，4 、光开关 3 6 , 4 2 、光子晶体耦合器【4 3 4 7 1 、光滤波器【4 8 5 、l e d 5 2 5 7 1 、传感器【5 8 - 6 0 1 等。 传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段有 较大的吸收。用光子晶体制作的高性能反射镜频率落在光予带隙中的光子或电磁 波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反 射从任何方向的入射光，反射率几乎为1 0 0 。这种光子晶体反射镜还可以制作 新型的平面天线。一维光予晶体也可以作为全方位角反射镜。 传统的介电波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。光子晶体 波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率。 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大 的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔优异得多，具有很 高的品质因子，体积可以非常小。 一般的棱镜对波长相近的光几乎不能分开，但用光子晶体做成的超棱镜的分 开能力比常规的要强1 0 0 到1 0 0 0 倍，而体积只有常规的百分之一大小。如对波 长为1 0 微米和0 9 微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光 予晶体超棱镜后可以将它们分开到6 0 度。这对光通讯中的信息处理有重要的意 义。 常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比较 大，不容易实现光学集成。用二维光了晶体来制作偏振器可以在很大的频率范围 工作，体积很小，很容易在硅片上集成或直接在硅基上制成。 光子晶体的缺陷制成的滤波器可以实现很窄频率带的光，并且结构紧凑。目 前为止，国际上已经有这方面的大量文献问世。 在l e d ( i t o 层，n 掺杂层，有源层，p 掺杂层，或这些层的一部分) 中引 入光子晶体结构，改变l e d 激发的光子的色散特性，从而大大降低全反射和折 射率失配带来的光损失。根据已有的报道，光子晶体对l e d 提取效率的提高在 4 0 1 5 0 范围内，具有广阔的应用价值和前景。 光子晶体传感方面的研究，目前主要集中在光子晶体的位移传感的研究中， 位移传感器的传感范围可以达到1 0 - - , 1 0 0 a ( a 是光子晶体的晶格常数) ，同时结合细 分技术可以达到较高的传感灵敏度【6 1 1 。 光子晶体还有其它许多应用背景，如无阈值激光器、光放大等新型器件；光 子晶体带来许多新的物理现象，随着对这些新现象的深入了解和光子晶体制作技 术的改进，光子晶体将具有更广阔的用途。 光子晶体的器件尺寸为微米级，非常有利于光集成，并且使原来的光功能器 件缩小上千倍。光子晶体的应用研究涉及了物理、化学、材料、微细加工以及电 6 子、微电子工程和测试技术等的各个学科的交叉和融合。 目前光子晶体存在的问题是：1 ) 研究主要集中在模拟和设计阶段，光子晶体 的高性能器件的制作以及测试还比较少见，因此，目前的研究不应只局限于设计 和模拟光子晶体器件，还应该能够加工设计出的器件并且测试其性能。2 ) 有关光 子晶体生化传感方面的应用研究还很少，尤其是光子晶体高精度、高灵敏度的传 感器的设计以及测试的报道更少，因此有必要更多地开展有关光子晶体生化传感 器的设计、制作以及测试方面的研究。 1 4 本论文的任务和研究内容安排 光子晶体传感器是目前比较新的研究方向，它具有体积小，结构紧凑，便于 集成等优点。光子晶体的位移传感器的研究结果相继问世1 5 弘6 1 j ，有关生化传感的 报道并不多。由于具有独特的光子禁带( p h o t o n i cb a n dg a p ) 效应，光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 为生化传感器件提供了新的设计平台。近年来也有少量的光 子晶体生化传感器的研究论文相继问世【6 2 击5 1 。这些生化传感器基本上都是基于光 子晶体的微型腔或是光子晶体的波导结构形成的，并且是对检测物质折射率敏感 的生化传感器。这些传感器的优点是：很小的传感面积( 每1 0 u m 2 的传感面积 只要求被测量的样本为l f l ) 6 2 j ，因此，该种传感器可以用很少的样本实现检 测。j t o p o la n c i k 等人设计的光予晶体波导结构的传感器可以探测到的折射率变 化为锄0 2 【6 引，m l o n c a r 等人用微腔激光探测到的折射率变化可以达到 加0 5m j 。以上传感结构对样本的折射率分辨率不够高。 e c h o w 等人在随后提出的用二维光子晶体微腔结构可以达到折射率的分 辨率为a n = 0 0 0 2 ，折射率的测量范围可以达到1 0 1 5 6 2 】。但是该方法的光能的 透过率很低。并且其灵敏度不够高( 力锄1 5 0 n m r i u ( r a u ，r e f r a c t i v ei n d e x u n i t ，单位折射率) 左右) ，分辨率也不够高。 本论文的研究从光子晶体的腔与波导的特性以及其性能分析出发，研究光子 晶体腔与波导耦合结构的特性，建立光子晶体腔与波导耦合的理论模型；在此基 础上，提出新型的光子晶体腔与波导耦合的结构，对结构进行设计和优化，提高 此类传感器的灵敏度、分辨率和光的传输透过率。在分析原理和设计实际传感器 的基础上，对器件进行微结构加工，对加工后的液体传感器进行了测试实验方案 设计，并完成了实验测试部分的工作。 光子晶体是一种在光波长尺度内折射率呈周期性分布的纳米光学器件，该类 器件特有的周期性结构，使得在其中传播的光子呈现丰富的色散特性。因此，光 7 子晶体结构，有着比传统的光电器件更多的优势。探讨光子晶体在光电器件中的 应用，既有理论价值又有广阔的应用价值和前景。 本论文的主要内容包括： 1 ) 研究光子晶体腔的光学特性和分析方法； 2 ) 研究光子晶体波导的光学特性分析方法； 3 ) 分析光子晶体腔与波导的时域耦合理论，建立简易的波导与腔耦合的频域 模型，分析其光学特性； 4 ) 面向应用，探讨对光子晶体生化传感器的设计和优化方案，并且分别设计 和优化了气体和液体传感器； 5 ) 在理论和设计的基础上，结合现有的国内微加工条件和测试手段，对光子 晶体传感器进行了加工并且完成了实验测试，测试结果基本符合理论和设计的预 期。 论文的研究工作得到了9 7 3 课题和清华大学富士康纳米研究中心的资助。论 文的具体内容安排如下： 第一章：简要介绍光子晶体的基本原理，光子晶体的研究和计算方法；介绍 光子晶体的研究现状，提出本论文的研究内容和安排。 第二章：介绍光子晶体的一般结构和计算方法平面波展开法和时域有限差 分法( f d t d ) ；介绍光子晶体的分析手段一色散曲线；对光子晶体的腔的结构进行 分析和计算，得到三角形结构的光子晶体腔的模式场分布和特点，分析腔的性质 并且给出影响其品质因素的要素；对光子晶体的波导结构进行分析，对其传输特 性和色散曲线进行简要的研究和分析。 第三章：介绍光子晶体波导与微腔耦合的类型，介绍光子晶体波导与微腔耦 合的时域耦合模式理论，用法布里一珀罗腔在频域内比拟光子晶体波导与微腔耦 合，建立输出波导的光的波长与腔内的折射率的关系式，提出并推导出输出光的 传输率与品质因素的关系。 第四章：在第三章理论分析的基础上，研究光子晶体液体传感器的设计与优 化方法，分别用平面波展开法优化和设计传感器中的光子晶体微型腔，并且用 f d t d 方法优化和设计光子晶体的波导结构，最后对传感器中的光子晶体空气孔 的排数进行优化和选择；用同样的优化方法，对光子晶体气体传感器进行模拟与 优化研究；最后讨论了光子晶体传感器与外部脊型波导的连接方式，并且针对前 一章的理论分析，结合模拟研究论证了理论分析的正确性。 第五章：首先介绍光子晶体生化传感器的微加工工艺，设计微加工工艺流程， 确立了电子束曝光+ 干法刻蚀的工艺方法，并加工完成器件，最后，用湿法腐蚀的 方法刻蚀掉光子晶体结构下部的牺牲层，得到能够有效地发生全反射的光子晶体 8 结构，使光子晶体器件的性能得到进一步的提高；设计完成了光子晶体生化传感 器的测试系统，并且研究了光子晶体生化传感器的测试系统中的光学耦合问题和 调试问题，得到了传感器对折射率敏感的实验曲线，分析了实验结果，对传感器 性能提高做了进一步分析和论述。 第六章：对论文主要工作和创新成果进行分析和总结，对进一步开展的工作 提出了建议。 9 第二章光子晶体腔与波导结构的特性研究 2 1 本章引言 作为集成光学中的重要结构的腔结构和波导结构从本世纪以来吸引了众多 研究者的目光，将腔结构和波导结构在光子晶体中实现，可以在传统的集成光学 的基础上，缩小器件的体积和面积，实现器件的特殊用途，如用光子晶体的腔结 构可以完成微型的传感器、滤波器、激光腔的设计任务，用光子晶体波导结构实 现微型的耦合器、光开关和光传感的设计任务。 光子晶体的腔结构主要由光子晶体中的点缺陷构成，有关腔结构的研究主要 涉及光子晶体腔的模式、腔的模式的品质因素和影响品质因素的因素等问题，腔 的这些特性直接影响光子晶体腔的应用特性。 光子晶体的波导结构主要由光子晶体的线缺陷构成。不同类型的光子晶体波 导具有不同的色散曲线和传输特性，光子晶体波导的长度同样会影响光予晶体波 导传输特性，同时二维光子晶体的波导的传输涉及到传输模式和泄漏模式的问 题，只有在传输模式下的光才能在光子晶体中传输。波导模式的这些特性直接影 响着能否成功地应用光子晶体波导。 本论文从研究光子晶体的基本结构出发，主要讨论光子晶体的腔的模式特性 以及波导结构的类型和特性。 本章其他节的内容安排如下：2 2 节描述了光子晶体的结构与特性，2 3 节介 绍了光子晶体腔结构的类型和特性，2 4 介绍光子晶体的波导结构的类型和特性， 2 5 节是本章小结。 2 2 光子晶体的结构与特性 2 2 1 光子晶体的一般结构 本论文涉及的光子晶体腔结构和波导结构主要涉及光子晶体二维结构，因此 只讨论二维情况。光子晶体的一般结构如图2 1 ，二维一般结构主要分成两种类 型，一种是二维圆柱型光子晶体，一种是二维圆孔型光子晶体。二维圆柱型光子 晶体一般是由介质圆柱周期性地排列在空气中，其晶格呈正方形结构，如图 2 1 ( a ) ，2 1 ( b ) 所示；二维圆孔型光子晶体是由圆孔周期性的排列在介质体内，其晶 1 0 格通常呈三角形结构，如图2 1 ( c ) ，2 1 ( d ) 所示。 空气介质 oo ，oog o boo o0oo0 0ooo o o ooo ooo o o 0o oo oo0o o 0 oo0 0ooo o 0 ooo ooo o o 0o o0 o o o o o o 0o0oo o 0 o 0o o0 0ooo ( a ) 介质空气 o ooogob ooo o o o o oo oo o o o oo0o oo ooo o ooo oooo o o o o oooo o0o ooo ooo 0oo oo o o o o ooo ooo ooo ooo o o0 0o ooo o o0o o0 ooo 0 0 o o ooo0o oo o ( c ) ( b ) 介质l ooooooo7 0 、 oooooooo 办茸 o 口ooooao v j 恼oooooo0a y 、ooooooooo x 。oooooooo 谂赌暑暑暑2 暑暑暑 ( d ) 图2 1 光子晶体的结构示意图。二维圆柱型光子晶体( a ) 平面