一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器

摘要

本发明公开了一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层包含同一平面内的U形波导和环形谐振腔。本发明的马赫曾德调制型谐振腔传感器，采用级联双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的传感结构能对环形谐振腔进行二次调制，使马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的频谱有效的叠加在一起，这样可以基于游标效应提高对准精度，从而有效提高器件的灵敏度，实现大的动态范围的探测。另外采用这种结构化的集成不仅能缩小器件的总体尺寸，便于器件的微型化和阵列化，而且还能显著的扩展器件的准自由光谱范围。

权利要求

1.一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，其特征在于：包括自下而上依次层叠键合的硅基层(5)、二氧化硅层(6)和单晶硅层构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层包含同一平面内的U形波导(1)和环形谐振腔(2)，U形波导(1)包括依次连接的第一耦合直波导(11)、第二耦合直波导(12)、第一圆弧连接波导(13)、第三耦合直波导(14)、第四耦合直波导(15)、第二圆弧连接波导(16)、第五耦合直波导(17)和第六耦合直波导(18)；

环形谐振腔(2)包括第一半环波导(20)、第一圆弧波导(21)、第二半环波导(22)、第二圆弧波导(23)、第三半环波导(24)、第三圆弧波导(25)、第四半环波导(26)和第四圆弧波导(27)，它们首尾相连形成环形谐振腔(2)；环形谐振腔(2)为一个中空的十字形结构；第一半环波导(20)、第二半环波导(22)、第三半环波导(24)和第四半环波导(26)为半径相等的圆环的二分之一圆弧，其中第一半环波导(20)和第三半环波导(24)左右对称分布，开口相对；

第二半环波导(22)和第四半环波导(26)上下对称分布，开口相对；第一圆弧波导(21)、第二圆弧波导(23)、第三圆弧波导(25)和第四圆弧波导(27)为半径相等的圆环的四分之一圆弧；

所述第一耦合直波导(11)、第二耦合直波导(12)和第二半环波导(22)构成第一耦合器(30)，第三耦合直波导(14)、第四耦合直波导(15)和第三半环波导(24)构成第二耦合器(31)，第五耦合直波导(17)和第六耦合直波导(18)和第四半环波导(26)构成第三耦合器(32)。

2.根据权利要求1所述的马赫曾德调制型谐振腔传感器，其特征在于：第二耦合直波导(12)、第一圆弧连接波导(13)、第三耦合直波导(14)、第二半环波导(22)的左半部分、第二圆弧波导(23)和第三半环波导(24)的上半部分构成第一马赫曾德干涉仪(40)，第四耦合直波导(15)、第二圆弧连接波导(16)、第五耦合直波导(17)、第三半环波导(24)的下半部分、第三圆弧波导(25)和第四半环波导(26)的左半部分构成第二马赫曾德干涉仪(41)。

3.根据权利要求1或2所述的马赫曾德调制型谐振腔传感器，其特征在于：第一半环波导(20)、第一圆弧波导(21)和第四圆弧波导(27)构成反馈回路。

4.根据权利要求1所述的马赫曾德调制型谐振腔传感器，其特征在于：所述第一圆弧连接波导(13)和第二圆弧连接波导(16)均为圆环的四分之一圆弧。

5.根据权利要求1所述的马赫曾德调制型谐振腔传感器，其特征在于：所述U形波导(1)和环形谐振腔(2)为无源脊形波导或条形波导。

说明书

一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光生化传感技术领域，特别涉及一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器。

背景技术

[0002] 进入二十一世纪以来，随着科技的日新月异，人们的生活水平得到不断改善，但同时也伴随着越来越多的环境问题日益突出，尤其是近年来受到雾霾天气的影响，人们开始关注与自身健康密切相关的方面，如环境监测、疾病医疗等，对食品、医药、水质的安全需求也显著增加。同时，在军事战场上，生化武器作为一种新型的智能化武器逐渐应用到现代战争中。因此，无论是关乎到民生的环境、医疗问题还是军事上都迫切需要一种能对生物化学成分快速准确检测分析的器件或者系统，正是这些需求，极大的促进了光子生化传感器的应用和发展。

[0003] 微纳光子生化传感器是一种以生物或化学组分为敏感基元，以光信号为载体，对目标检测物具有高度选择性和高灵敏度的检测器件。与其它物理信号相比，光信号具有灵敏度高、抗电磁干扰强、噪声低等特点，因此光学生化传感器与其它传感器相比具有高稳定性和高灵敏度的优势，被广泛认为是非常具有发展前景的生化传感器。目前已商用的微纳光子生化传感器中大部分都是利用光谱学、荧光标定和表面等离子共振等来检测特定生物或化学组分以及相关化学反应的存在。然而，由于大部分器件难以制造，并且操作繁琐，很难做成移动便携式传感检测系统。在小型化便携生化传感器的研发中，基于SOI平面波导的生化传感器发展十分迅速，由于其具有尺寸小、灵敏度高、易集成化、成本低、选择性好等优点而受到广泛关注。硅光子器件由于具备与成熟的CMOS工艺相兼容的特点，非常适合光子集成领域的光互联。

[0004] 但现有的单一马赫曾德耦合微环传感结构探测范围小，器件制作难度大且难以实现器件小型化和便携化。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种集成了双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的传感器结构。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层包含同一平面内的U形波导和环形谐振腔，U形波导包括依次连接的第一耦合直波导、第二耦合直波导、第一圆弧连接波导、第三耦合直波导、第四耦合 直波导、第二圆弧连接波导、第五耦合直波导和第六耦合直波导；环形谐振腔包括第一半环波导、第一圆弧波导、第二半环波导、第二圆弧波导、第三半环波导、第三圆弧波导、第四半环波导和第四圆弧波导，它们首尾相连形成环形谐振腔；所述第一耦合直波导、第二耦合直波导和第二半环波导构成第一耦合器，第三耦合直波导、第四耦合直波导和第三半环波导构成第二耦合器，第五耦合直波导和第六耦合直波导和第四半环波导构成第三耦合器。

[0007] 优选地，第二耦合直波导、第一圆弧连接波导、第三耦合直波导、第二半环波导的左半部分、第二圆弧波导和第三半环波导的上半部分构成第一马赫曾德干涉仪，第四耦合直波导、第二圆弧连接波导、第五耦合直波导、第三半环波导的下半部分、第三圆弧波导和第四半环波导的左半部分构成第二马赫曾德干涉仪。

[0008] 优选地，第一半环波导、第一圆弧波导和第四圆弧波导构成反馈回路。

[0009] 优选地，所述第一圆弧连接波导和第二圆弧连接波导均为圆环的四分之一圆弧。

[0010] 优选地，所述第一半环波导、第二半环波导、第三半环波导和第四半环波导为半径相等的圆环的二分之一圆弧。

[0011] 优选地，所述第一圆弧波导、第二圆弧波导、第三圆弧波导和第四圆弧波导为半径相等的圆环的四分之一圆弧。

[0012] 优选地，所述U形波导和环形谐振腔为无源脊形波导或条形波导。

[0013] 本发明的有益效果：本发明所提供的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，与传统的单一马赫曾德耦合微环传感结构相比，采用这种级联双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的传感结构能对环形谐振腔进行二次调制，使马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的频谱有效的叠加在一起，这样可以基于游标效应提高对准精度，从而有效提高器件的灵敏度，实现大的动态范围的探测。另外采用这种结构化的集成不仅能缩小器件的总体尺寸，便于器件的微型化和阵列化，而且还能显著的扩展器件的准自由光谱范围。

附图说明

[0014] 图1是本发明马赫曾德调制型谐振腔传感器的截面图；

[0015] 图2是本发明马赫曾德调制型谐振腔传感器的俯视图；

[0016] 图3是本发明实施例的马赫曾德调制型谐振腔传感器的传输谱示意图；

[0017] 图4是本发明实施例的马赫曾德调制型谐振腔传感器的探测极限变化曲线图；

[0018] 图5是本发明实施例的马赫曾德调制型谐振腔传感器的谐振波长随有效折射率改变量的变化曲线图。

[0019] 附图标记说明：1、U形波导；11、第一耦合直波导；12、第二耦合直波导；13、第一 圆弧连接波导；14、第三耦合直波导；15、第四耦合直波导；16、第二圆弧连接波导；17、第五耦合直波导；18、第六耦合直波导；2、环形谐振腔；20、第一半环波导；21、第一圆弧波导；22、第二半环波导；23、第二圆弧波导；24、第三半环波导；25、第三圆弧波导；26、第四半环波导；27、第四圆弧波导；30、第一耦合器；31、第二耦合器；32、第三耦合器；40、第一马赫曾德干涉仪；41、第二马赫曾德干涉仪；5、硅基层；6、二氧化硅层。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

[0021] 如图1和图2所示，本实施例的一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，包括自下而上依次层叠键合的硅基层5、二氧化硅层6和单晶硅层构成的SOI基体，SOI基体的单晶硅层包含同一平面内的U形波导1和环形谐振腔2，U形波导1和环形谐振腔2为无源脊形波导或条形波导；其中U形波导1包括第一耦合直波导11、第二耦合直波导12、第一圆弧连接波导13、第三耦合直波导14、第四耦合直波导15、第二圆弧连接波导16、第五耦合直波导17和第六耦合直波导18，它们依次连接形成一个U形结构；第一耦合直波导11和第六耦合直波导18等长且平行布置，第二耦合直波导12和第五耦合直波导17等长且平行布置，第一耦合直波导11和第二耦合直波导12位于同一直线上，第五耦合直波导17和第六耦合直波导18位于同一直线上；第二耦合直波导12和第三耦合直波导14之间由第一圆弧连接波导13连接且第二耦合直波导12和第三耦合直波导14的延长线互相垂直，第四耦合直波导15和第五耦合直波导17之间由第二圆弧连接波导16连接且第四耦合直波导15和第五耦合直波导17的延长线互相垂直，第三耦合直波导14和第四耦合直波导15位于同一直线上；其中第一圆弧连接波导13和第二圆弧连接波导16均为圆环的四分之一圆弧，第一圆弧连接波导13的圆环半径为R3，第二圆弧连接波导16的圆环半径为R4。

[0022] 环形谐振腔2包括第一半环波导20、第一圆弧波导21、第二半环波导22、第二圆弧波导23、第三半环波导24、第三圆弧波导25、第四半环波导26和第四圆弧波导27，它们首尾相连形成环形谐振腔2，环形谐振腔2为一个中空的十字形结构；第一半环波导20、第二半环波导22、第三半环波导24和第四半环波导26为半径相等的圆环的二分之一圆弧，它们的圆环半径为R1，其中第一半环波导20和第三半环波导24左右对称分布，开口相对；第二半环波导22和第四半环波导26上下对称分布，开口相对；第一圆弧波导21、第二圆弧波导23、第三圆弧波导25和第四圆弧波导27为半径相等的圆环的四分之一圆弧，它们的圆环半径为R2。

[0023] 在本实施例中，第一耦合直波导11、第二耦合直波导12和第二半环波导22构成第一耦合器30，第三耦合直波导14、第四耦合直波导15和第三半环波导24构成第二耦合器31， 第五耦合直波导17和第六耦合直波导18和第四半环波导26构成第三耦合器32；第二耦合直波导12、第一圆弧连接波导13、第三耦合直波导14、第二半环波导22的左半部分、第二圆弧波导23和第三半环波导24的上半部分构成第一马赫曾德干涉仪40，第四耦合直波导15、第二圆弧连接波导16、第五耦合直波导17、第三半环波导24的下半部分、第三圆弧波导25和第四半环波导26的左半部分构成第二马赫曾德干涉仪41；第一半环波导20、第一圆弧波导21和第四圆弧波导27构成反馈回路。

[0024] 为了本领域技术人员能够理解并且实施本发明技术方案，将结合具体的工作过程对上述基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器作详细说明：

[0025] 光信号从U形波导1输入端通过第一耦合直波导11进入到整个器件中，经过第一耦合器30，通过消逝场耦合，一部分的光侧向耦合进入环形谐振腔2，另一部分则沿第二耦合直波导12继续向前传播。两部分光分别经过第一马赫曾德干涉仪40的参考臂(第二半环波导22、第二圆弧波导23以及第三半环波导24)和传感臂(第二耦合直波导12、第一圆弧连接波导13以及第三耦合直波导14)时，由于两臂的长度不同，在经过第一马赫曾德干涉仪40后会发生干涉，造成光强的重新分配，满足干涉相长条件的光波得到了增强，不满足干涉条件的光波受到抑制，之后再次经过第二马赫曾德干涉仪41后发生第二次干涉，光强继续重新分配。在经过第三耦合器32时，通过消逝场耦合，一部分光经反馈回路波导(依次经过第四圆弧波导27、第一半环波导20和第一圆弧波导21)反馈回第一耦合器30的始端，继续在环形谐振腔2中传输，经历这样一个或若干个完整的周期达到稳定状态后在整个环形谐振腔中产生谐振效应，最后通过第三耦合器32耦合输出，通过在传感器输出端口的光电探测器来测量这一变化，并将光场强度的数据送到计算机中进行处理，将计算的结果与计算机中各物质组成的数据库信息进行比对，我们可以得出被测量物的相关信息，从而实现传感功能。

[0026] 双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的谐振条件可以分别表示为：

[0027]

[0028] neff·C＝m2·λf

[0029] 由于光波通过耦合器耦合到其它波导时，会引入π的相位差，因此在谐振干涉条件中加入半个波长。其中C为环形谐振腔的腔长，ΔL为马赫曾德干涉仪两干涉臂(传感臂与参考臂)的长度差，两者都与波导结构的几何尺寸有关，它们的表达式如下式所述：

[0030] C＝4π·R1+2π·R2

[0031]

[0032] 式中各物理量的表示含义分别为：m1、m2分别为马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的干涉级次，λMZ、λf为对应的谐振波长，neff为波导中传输模式的有效折射率，L1、L2分别为第二耦合直波导12和第三耦合直波导14的长度。由于环形谐振腔的谐振作用，只有当环形谐振腔的光程等于光波长的整数倍时，某些波长的光才能得到增强而耦合输出。由于马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的游标效应，只有当某些特定波长的光波同时满足二者的谐振条件时，二者的谐振峰在那些波长处重叠，图3是本实施例的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器的传输谱示意图，如图3所示，马赫曾德干涉仪对环形谐振腔透射谱的两次调制，对某些谐振峰产生了抑制，因此总的透射谱线中旁瓣比较小，利于对主谐振峰的探测。整个器件均与外界待监测环境物质相接触，当外界环境物质改变时，波导上包层感受到外界折射率的变化(Δn)，改变了光能量在光波导中的分布，从而引起波导内模式有效折射率的变化(ΔNeff)。最终改变光经过该光波导的相位，其相位改变量 而相位信息一般是不能直接探测得到的，需要转化为波长、振幅、偏振态来间接探测。

[0033] 图4是本实施例的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器的探测极限变化曲线图；图5是本实施例的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器的谐振波长随有效折射率改变量的变化曲线图。如图4所示，当最小可探测量非常低时，谐振波长的漂移量非常小，导致被探测峰几乎不能被分辨，其除了与自身的探测极限有关外，还与末端探测仪器的分辨极限有关，如光谱仪的最小可分辨波长。当末端探测仪器的分辨率达到要求后，若传感器自身的探测极限越高，其探测能力也就越强。从图中可以观察出当有效折射率变化为10-6时，两个谐振峰几乎不能被分辨开来，此时器件的最小可探测量已达到极限，若待测物质的浓度变化进一步降低，传感器已无法将其检测分辨出来。同时，通过数值仿真得到了在不同的有效折射率变化情况下，谐振波长发生变化的情况，如图5所示，通过曲线拟合得到传感器的灵敏度可以达到755.2nm/RIU，与普通的单一马赫曾德耦合微环传感相比，其传感性能得到显著提升。

[0034] 本实施例中的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器的波导是采用微细加工的方法在SOI基体上刻蚀获得的，包含两个马赫曾德干涉仪结构(第一马赫曾德干涉仪40和第二马赫曾德干涉仪41)和一个环形谐振腔2，将这两种传感单元都集成到同一个整体器件中，可以充分发挥它们的优势特点，利用了两种结构在传输谱线上自由光谱范围不一致，引入游标效应，使得三者的传输谱相互叠加，从而获得大的自由光谱范围和高灵敏度的谐振峰值。通过测量谐振峰的漂移量，从而测得波导内模式有效折射率的变化，进一步获得 被测物质折射率和浓度的信息；基于两个马赫曾德干涉仪分别对环形谐振腔的一次和二次调制，进而实现系统的高灵敏度探测；通过马赫曾德干涉仪干涉效应和环形谐振腔的谐振效应可得到高消光比和宽自由光谱范围的谐振峰。

[0035] 以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。