一种基于周期波导微腔谐振干涉效应的集成光学传感器

摘要

本发明公开了一种基于周期波导微腔谐振干涉效应的集成光学传感器。包括输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、输入耦合区和输出耦合区；参考臂和传感臂两端分别在输入耦合区和输出耦合区相耦合；信号光源经输入波导连接到输入耦合区，输出耦合区经输出波导与信号光检测器相连，传感臂具有周期波导微腔结构。本发明提出的集成光学传感器具有易于制作、结构紧凑、测试范围宽、灵敏度高和对待测物耗费少等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐振干涉光学器件，特别是涉及光学传感器件领域的一种 基于周期波导微腔谐振干涉效应的集成光学传感器。

背景技术

近年来人类在食品安全、生化检验、环境监测等领域对高性能传感器的需求 日益增长。集成光学传感器由于具有尺寸小、灵敏度高、成本低和抗电磁干扰 等特点，在生化传感等片上传感领域有着十分广泛的应用。目前已发展起多种 集成光学传感器结构，例如Mach-Zehnder干涉仪、微谐振腔(微环、微碟、光 子晶体微腔等)和表面等离子波导等传感器。在待测物作用下，光波导的有效 折射率将发生变化，使传感器件的光学响应谱线发生改变，通过分析光谱线型 的漂移或某固定波长处光强度变化从而可获得待测物的信息。传统的 Mach-Zehnder干涉仪结构简单，自由光谱范围(FSR)也较大，但是由于 Mach-Zehnder干涉仪的光谱线型是正弦函数，因此对折射率的变化并不十分敏 感。通常为了改善Mach-Zehnder型传感器的传感灵敏度需增加两干涉臂的长度 以增强待测物和光波导的作用，不利于传感单元器件的微型化。微环谐振腔传 感器具有较高的品质因子(Q值)，其谐振谱线呈较尖锐的洛伦兹线型，易于检测 由待测物作用引起的谐振波长漂移或强度变化。但是，由于微环谐振腔的Q值 与其尺寸和FSR存在制约关系(直径越大则Q越大、但FSR越小)，使得微环谐 振腔的测试范围受到限制，也不利于器件的微型化和减少测试时对待测物的耗 费。光子晶体微腔则是另一类极具潜力的传感单元结构，它在获得高Q值的同 时可满足少模或单模条件，使其测试范围不受FSR限制。光子晶体微腔尺寸极 小，具有比其他光学微腔更低的模式体积(V值为(λ/n)³量级)，使得腔中光与待 测物的相互作用大大增强，可有效的提高传感器灵敏度。但由于目前工艺水平 限制，实际制作出的光子晶体微腔Q值比设计的Q值要低很多，而在待测物作 用环境下其Q值由于吸收、散射等影响又会进一步降低，因而实际的传感器的 灵敏度有待进一步提高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于周期波 导微腔谐振干涉效应的集成光学传感器，易于制作，结构简单紧凑、灵敏度高、 测试范围宽，且对待测物耗费少。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入波导、输出波导、参考臂、传感臂、输入耦合区和输出耦 合区；参考臂和传感臂两端分别在输入耦合区和输出耦合区相耦合；信号光源 经输入波导连接到输入耦合区，输出耦合区经输出波导与信号光检测器相连， 传感臂具有周期波导微腔结构，是一种周期单元沿传感臂方向排列的一维光子 晶体微腔结构

所述的周期性波导微腔结构采用含有沿传感臂方向排列的多个小孔的波导 结构。

所述的周期性波导微腔结构采用含有沿传感臂方向周期排列且以传感臂中 间对称的多个小孔的波导结构。

所述的输入耦合区和输出耦合区为Y分叉耦合器、3dB定向耦合器或多模 干涉耦合器。

所述的周期波导微腔的波导宽度不变，小孔直径由位于传感臂中间的小孔 向两侧耦合区端的小孔等间隔递减。

所述的周期波导微腔的小孔尺寸不变，波导宽度由中间向两侧呈二次曲线 递增。

所述的周期波导微腔的小孔尺寸不变，波导宽度由中间向两侧呈二次曲线 递减。

所述的周期波导微腔的小孔为圆形孔、方形孔。

本发明的周期性波导微腔为波导结构，使得谐振腔和波导可以直接耦合； 周期波导微腔能够获得极高的品质因子(Q值)和极低的模式体积(V值)，可极大 地增强待测物和光的相互作用；并且，周期波导微腔可以设计成少模甚至单模 工作，使传感器的测试范围不受自由光谱范围(FSR)的限制；通过周期波导微腔 的谐振态光波和参考臂的连续波相干涉产生极其陡峭的Fano光谱线型。

当光通过被待测物包裹作用的周期波导微腔时，若待测物的折射率发生变 化周期波导微腔的谐振态会发生改变，其谐振波长的变化进而会引起两臂干涉 的光谱线型变化。由于周期波导微腔所在传感臂上通过的谐振态光波和参考臂 上通过的连续态光波干涉会产生极其尖锐的非对称Fano谱线，因此通过监测和 分析干涉波谱的漂移或是谱线极值点附近某固定波长的功率变化极易获得待测 物的浓度、成分等信息。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用了周期波导微腔高Q值、低V值、不受FSR限制和结构紧凑的 特点，直接将波导结构的周期波导微腔制作在传统Mach-Zehnder干涉结构的其 中一臂上充当传感臂，获得极陡峭的Fano光谱线型，从而实现结构简单、尺寸 紧凑、灵敏度高、测试范围大、对待测物耗费少的传感器。

本发明利用成熟的标准CMOS工艺，使得所涉及的传感器实现大规模片上 制作，能大大降低传感芯片的生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明采用Y分叉耦合器和圆形孔尺寸线性渐变的实施例图。

图3是本发明采用3dB定向耦合器、圆形孔和波导尺寸二次曲线渐变的实 施例图。

图4是本发明采用多模干涉耦合器、圆形孔和波导尺寸二次曲线渐变的实 施例图。

图5是本发明采用Y分叉耦合器和方形孔尺寸线性渐变的的实施例图。

图6是实施例1的折射率变化-光谱线型图。

图中：1、输入波导，2、输出波导，3、参考臂，4、传感臂，5、输入耦合 区，6、输出耦合区，7、周期波导微腔，8、Y分叉耦合器，9、3dB耦合器，10、 多模干涉耦合器，11、小孔尺寸线性渐变的周期波导微腔，12、波导尺寸由中 央向两侧呈二次曲线减小的周期波导微腔，13、波导尺寸由中央向两侧呈二次 曲线增大的周期波导微腔，14、圆形孔，15、方形孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括输入波导1、输出波导2、参考臂3、传感臂4、 输入耦合区5和输出耦合区6；参考臂3和周期波导微腔传感臂4两端分别在输 入耦合区5和输出耦合区6相耦合；信号光源经输入波导1连接到输入耦合区5 的输入端，输入耦合区5的输出端分别连接参考臂3和周期波导微腔传感臂4， 输出耦合区6的输出端经输出波导2与信号光检测器相连，输出耦合区6的输 入端分别连接参考臂3和传感臂4，传感臂4具有周期波导微腔7结构。信号光 经输入耦合区分束后通过干涉臂和传感臂的相位差为(n+1/2)π，其中n取整数。

上述周期性波导微腔结构采用沿传感臂方向周期排列、周期不变的且以传 感臂中间对称的多个小孔结构。

优选地，如图2所示，周期波导的宽度不变，小孔的尺寸由位于传感臂中 间的小孔向两侧耦合区(输入耦合区和输出耦合区)端的小孔等间隔递减，位于周 期波导微腔传感臂4中央处的小孔尺寸线性渐变减小至输入耦合区5、6处的小 孔，形成小孔尺寸线性渐变的周期波导微腔11。

优选地，如图3所示，小孔尺寸不变，波导宽度由传感臂4中间向两侧耦 合区5、6呈二次曲线递减，形成波导尺寸由中央向两侧呈二次曲线减小的周期 波导微腔12。

优选地，如图4所示，小孔尺寸不变，波导宽度由传感臂4中间向两侧耦 合区5、6呈二次曲线递增，形成波导尺寸由中央向两侧呈二次曲线增大的周期 波导微腔13。

优选地，如图2—图4所示，输入耦合区5和输出耦合区6可采用Y分叉 耦合器8、3dB定向耦合器9或多模干涉耦合器10。

优选地，如图2—图4所示，周期波导微腔的小孔可采用圆形孔14或方形 孔15。

本发明的工作过程为：让待测物包裹并直接与周期波导微腔传感臂充分接 触，信号光从输入波导耦合输入，经输入耦合区后分为两束。在传感臂一侧， 满足周期波导微腔谐振波长的光能通过传感臂，不满足谐振波长处的光将被周 期波导微腔反射；在参考臂一侧，所有连续波长光信号均可通过参考臂。在输 出耦合区，从参考臂传输过来的连续光波与通过传感臂的谐振态光波干涉产生 极陡峭的Fano光谱线型。当待测物的浓度、形状和成分等发生变化时，其折射 率相应发生变化，会使得周期波导微腔的谐振波长漂移，进而引起Fano谐振谱 线的移动。通过监测Fano谐振谱线中极值点波长移动或极值点附近固定波长光 功率的变化可以获得极高的传感灵敏度。

本发明的实施例如下：

实施例1

下面以图2所示的一种具体实施结构并采用绝缘层上硅(SOI)为器件材料 作为例子予以说明。

如图2所示，输入耦合区5和输出耦合区6均采用Y分叉耦合器，该传感 器的所有组成部分都位于顶硅层平面内。所采用的SOI基片顶硅层厚度为 220nm，氧化层SiO2厚度为2μm，最底层亦是硅。采用电子束光刻技术定义器 件图形。采用PMMA495光刻胶为ICP刻蚀掩膜层，通过ICP刻蚀将图形转移 到顶层硅上形成三维结构器件。此例中，Y分叉耦合器的分光比为50％：50％， 波导宽度为450nm，周期波导腔的周期单元晶体常数为360nm，微腔中央最大 圆孔直径为175nm，经30个周期后圆孔尺寸线性减小至靠近微腔两侧Y分叉处 直径为85nm的最小圆孔，数值计算表明该周期波导微腔的Q值高达2×10⁶，V 值仅为1.1(λ/n_si)³，可极大的增强光与待测物相互作用。本例中传感器的周期波 导微腔传感臂区面积仅为8μm³，故只需少量的待测物即可充分和传感臂上的周 期波导微腔作用，即本传感器对待测物的耗费极少。

上述周期波导微腔的谐振波长位于1557nm附近，图6给出了当折射率变 化为Δn＝1×10^-5时，光谱线型由实线变为虚线的情况。由此图可以看到，谐振波 长1557nm附近的谱线斜率很大，谷点漂移大于10³nm/RIU。若采用判断 1557.03nm波长处功率变情况，可检测到7dB的功率变化。

实施例2

如图3所示，输入耦合区5和输出耦合区6均采用3dB定向耦合器，它们 的分束比皆为1：1，周期波导的周期a＝480nm，圆形小孔半径为r＝0.3a固定不 变。周期波导微腔为对称结构，设计有28个圆形小孔，即周期波导微腔的总长 度为l＝28a。传感臂中央处的波导宽度设计为w₀＝650nm，以二次曲线渐变规律 减小至两侧耦合区的正常波导宽度w₁＝450nm。周期波导微腔的波导宽度的渐变 方程为w(x)＝w₀+x²(w₁-w₀)/(l/2)²，l为周期波导微腔的波导长度，式中x沿传感两 侧方面离开传感臂中间的距离，其取值范围为0<x<l/2。FDTD计算表明本实施 例的周期波导微腔Q值达4.7×10⁶，模式体积约为2.2(λ/n_si)³。所采用的SOI基片 的顶层硅为220nm，本实施例中的器件制作在这一层上。绝缘层为二氧化硅， 厚度为3μm，最底层为硅。由于本实施例中不涉及尺寸小于150nm以下的小孔 结构，因而可以直接采用CMOS工艺制作。采用192nm紫外曝光技术定义器件 图形，然后通过RIE-ICP工艺将器件转移到220nm硅层。以此实施例制作出的 传感器灵敏度可以超过10³nm/RIU。

实施例3

如图4所示，输入耦合区5和输出耦合区6均采用多模干涉耦合器，它们 的分束比皆为1：1。周期波导的周期a＝350nm，圆形小孔半径为r＝0.28a固定 不变。周期波导微腔为对称结构，共设计30个圆形小孔，即周期波导微腔的总 长度为l＝30a。传感臂中央处的波导宽度设计为w₀＝420nm，以二次曲线渐变规 律减小至两侧耦合区的正常波导宽度w₁＝580nm。周期波导微腔的波导宽度的渐 变方程为w(x)＝w₀+x²(w₁-w₀)/(l/2)²，l为周期波导微腔的波导长度，式中x沿传感 两侧方面离开传感臂中间的距离，其取值范围为0<x<l/2。FDTD计算表明本实 施例的周期波导微腔Q值达7×10⁶，模式体积约为0.9(λ/n_si)³。所采用的SOI基 片的顶层硅为220nm，本实施例中的器件制作在这一层上。绝缘层为二氧化硅， 厚度为3μm，最底层为硅。由于本实施例中不涉及直径小于190nm以下的小孔 结构，因而可以直接采用CMOS工艺制作。采用190nm紫外曝光技术定义器件 图形，然后通过RIE-ICP工艺将器件转移到220nm硅层。以此实施例制作出的 传感器灵敏度可达1.5×10³nm/RIU。

由此，本发明利用了周期波导微腔的特点，将波导结构的周期波导微腔作 为传感臂，获得极陡峭的Fano光谱线型，实现了结构简单、尺寸紧凑、灵敏度 高、测试范围大、对待测物耗费少的传感器，可大规模片上制作，降低传感芯 片的生产成本，具有显著的技术效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发 明的保护范围。