一種基于二維光子晶體的微粒精密控制器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于二維光子晶體的微粒精密控制器，特別適用于微型空間探測器中微粒樣品采集傳輸裝置的工作需求。
【背景技術】
[0002]微粒位置的高精度控制是微型空間探測器中微粒樣品采集傳輸裝置的核心技術。隨著探測器微型化技術的不斷推進，傳統(tǒng)的機械臂、傳送帶式的樣品采集輸運方式已經無法進一步滿足空間、能耗與載荷等方面的需求，而單分子檢測等新檢測技術的應用，使得樣品采集的需求量大大降低。因此研宄具有高度集成化、微型化的新型微粒樣品采集傳輸裝置成為空間探測技術的重要發(fā)展方向之一。
[0003]這種高精度的位置控制可以借助光學力實現。光學力源于光束與其照射的物質之間產生的相互作用。相比傳統(tǒng)的機械臂和傳送帶控制，光學力的作用效果具有遠距離、非接觸式等優(yōu)點。通過控制光束的形狀、強度等參數，也能夠實現控制光學力的大小與方向。如果能夠用微集成器件產生和控制光學力，并制成具有微小尺寸、低功耗、低載荷的空間樣品采集輸運裝置，則可以大大減少推進劑的攜帶量而增加空間探測器有效載荷，或不減少推進劑而大大延長空間探測器的工作壽命，因而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。采用集成光波導即可以產生穩(wěn)定的光束，又只占用較小的空間，因此適用于制備微?？刂蒲b置(Lin&Cr0Zier，Anintegrated microparticle sorting system based on near-field optical forces anda structural perturbat1n[J].0ptics Express，2012，20 (4):3367-3374)0
[0004]光子晶體是介電常數呈周期性分布，且周期在光波長數量級的一種微納結構光電子材料。與傳統(tǒng)的均勻材料相比，光子晶體結構會使電磁波在其中傳播時，因發(fā)生布拉格散射而產生光子帶隙，使得部分波長的電磁波被禁止在其中傳播，從而可以實現對相應波長電磁波的傳播行為加以控制。二維光子晶體波導是一種特殊的光子晶體結構，其特點是在介質平板上分布著按三角格子或四方格子排列的填充某種低折射率介質(如空氣)的圓孔陣列，這種結構不僅可以完成許多傳統(tǒng)光電子器件難以實現的新功能，還使得波長量級(微米尺寸)器件的光子集成回路成為可能，因而獲得了廣泛的關注(Vlasov，O’ Boyle，Hamann，&McNab，Active control of slow light on a chip with photonic crystalwaveguides[J].Nature 2005，438 (7064):65-69)0
[0005]近年來，利用光子晶體波導結構設計光學力控制微粒位置的研究已有報道。例如利用帶有微腔的光子晶體結構實現微粒捕獲(Nicolas Descharmesj UlagalandhaPerumal Dharanipathyj Zhaolu Diaoj Mar1 Toninj and Romuald Houdre.0bservat1nof Backact1n and Self-1nduced Trapping in a Planar Hollow Photonic CrystalCavity, Physical Review Letters, 2013，110 (12): 12361)，或利用帶有狹縫的光子晶體波導進行微粒的輸運(Pin-Tso Lin and Po-Tsung Lee.Efficient transportat1nof nano-sized particles along slotted photonic crystal waveguide,OpticsExpress, 2011,30(3):3192-3199)。然而，這些方法均無法精確控制微粒位置的變化。此外，也有研宄報導利用不同波長的光信號控制微粒在光子晶體中的位置(Pin-TsoLin and Po-Tsung Lee.All~optical controllable trapping and transport ofsubwavelength particles on a tapered photonic crystal waveguide,OpticsLetters, 2011, 36 (3)，424-426)。然而，這需要引入大量的具有不同工作波長的激光器，將會極大地提高儀器設備的價格與復雜度。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的技術解決問題:克服現有技術的不足，提出一種基于二維光子晶體的微粒精密控制器，利用二維光子晶體波導的帶隙效應、硅基材料的熱光調控機理及光學力，實現小體積、輕量化和高精度的微?？臻g位置的控制。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案是:
[0008]一種基于二維光子晶體的微粒精密控制器，包括:
[0009]娃襯底、二氧化娃襯底、娃平板、金屬鈦-銷電極和介質覆蓋層；
[0010]硅襯底用于承載整個微粒精密控制器結構，二氧化硅襯底位于硅襯底之上，用于支撐硅平板；硅平板位于二氧化硅襯底之上，用于制作二維硅光子晶體波導與續(xù)接波導；所述二維硅光子晶體波導與續(xù)接波導是在所述硅平板上制作而成；金屬鈦-鋁電極位于硅平板上方，用于加熱二維硅光子晶體波導；介質覆蓋層位于硅平板上方，將金屬鈦-鋁電極夾在介質覆蓋層和硅平板中間并且將金屬鈦-鋁電極覆蓋；二維硅光子晶體波導與續(xù)接波導的上方為空，二維硅光子晶體波導與續(xù)接波導的下方與硅襯底上表面之間為空。
[0011]二維硅光子晶體波導包括線缺陷、在硅平板上刻蝕出的圓孔陣列和單縫；單縫位于線缺陷的中部且沿線缺陷的方向，圓孔陣列關于所述單縫對稱分布；續(xù)接波導分別位于二維硅光子晶體波導的輸入、輸出端，用于傳輸光信號，續(xù)接波導的寬度與線缺陷寬度相同，每個續(xù)接波導上的縫隙與所述單縫連通，縫隙寬度與連接處的單縫寬度相同且保持不變。
[0012]所述二維硅光子晶體波導沿線缺陷方向的長度不小于10a，二維硅光子晶體波導的寬度不小于8a，a為基準晶格周期長度，取值范圍為λ/3到λ/5之間，λ為入射光波長。
[0013]所述線缺陷的寬度范圍為0.7W0-1.3W0，WO = 1.732a ;單縫的基準縫寬d的取值范圍為0.lr-3r ;其中，r為基準圓孔半徑，取值范圍為0.2a?0.4a之間。
[0014]二維硅光子晶體波導上分布的圓孔陣列按照如下方式排布:最靠近二維硅光子晶體波導輸入端的圓孔半徑為基準圓孔半徑r，圓孔半徑從輸入端沿線缺陷方向向輸出端方向逐漸減小，半徑最小的圓孔為0.95r?0.85r。
[0015]二維硅光子晶體波導上分布的圓孔陣列按照如下方式排布:最靠近二維硅光子晶體波導輸入端的晶格周期長度為基準晶格周期長度a，晶格周期長度從輸入端沿線缺陷方向向輸出端方向逐漸增大，最大的晶格周期長度為1.02a。
[0016]二維硅光子晶體波導上單縫的寬度按照如下方式:最靠近二維硅光子晶體波導輸入端的單縫寬度為基準縫寬d，縫寬從輸入端沿線缺陷方向向輸出端方向逐漸減小，最小縫寬為0.8do
[0017]所述金屬鈦-鋁電極厚度為100nm-200nm，長度與二維硅光子晶體波導的總長度相等，寬度在500nm-3000nm之間，通過電極接觸或金屬線與外部電源連接。
[0018]所述介質覆蓋層厚度大于I μ m，用于隔離金屬鈦-鋁電極與外界環(huán)境；介質覆蓋層采用聚二甲基硅氧烷材料，利用紫外光固化在硅平板表面。
[0019]本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是:
[0020](I)采用圓孔半徑與晶格周期漸變的二維硅光子晶體波導結構，實現傳輸方向上的帶隙調控。
[0021](2)引入空氣橋與狹縫結構，提高光場密度，從而提高光操控效率。
[0022](3)采用折射率調控的方式，僅用單波長激光信號與電信號即可控制微粒的位置，降低成本。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的三維圖；
[0024]圖2是本發(fā)明的俯視圖；
[0025]圖3為本發(fā)明正視圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1、2、3所示，本發(fā)明提供了一種基于二維光子晶體的微粒精密控制器，包括:硅襯底1、二氧化硅襯底2、硅平板3、金屬鈦-鋁電極6和介質覆蓋層7 ;
[0027]硅襯底I用于承載整個微粒精密控制器結構，二氧化硅襯底2位于硅襯底I之上，用于支撐硅平板3 ;硅平板3位于二氧化硅襯底2之上，用于制作二維硅光子晶體波導4與續(xù)接波導5 ;所述二維硅光子晶體波導4與續(xù)接波導5是在所述硅平板3上制作而成；金屬鈦-鋁電極6位于硅平板上方，用于加熱二維硅光子晶體波導4 ;介質覆蓋層7位于硅平板上方，將金屬鈦-鋁電極6夾在介質覆蓋層7和硅平板3中間并且將金屬鈦-鋁電極6覆蓋；二維硅光子晶體波導4與續(xù)接波導5的上方為空，二維硅光子晶體波導4與續(xù)接波導5的下方與硅襯底I上表面之間為空。
[0028]二維硅光子晶體波導4包括線缺陷、在硅平板3上刻蝕出的圓孔陣列和單縫；單縫位于線缺陷的中部且沿線缺陷的方向，圓孔陣列關于所述單縫對稱分布；續(xù)接波導5分別位于二維硅光子晶體波導4的輸入、輸出端，用于傳輸光信號，續(xù)接波導5的寬度與線缺陷寬度相同，每個續(xù)接波導5上的縫隙與所述單縫連通，縫隙寬度與連接處的單縫寬度相同且保持不變。
[0029]所述二維硅光子晶體波導4沿線缺陷方向的長度不小于10a，二維硅光子晶體波導4的寬度不小于8a，a為基準晶格周期長度，取值范圍為λ/3到λ/5之間，λ