CN101846770A - 同侧输入、输出的微环传感器结构及其封装方法 - Google Patents

同侧输入、输出的微环传感器结构及其封装方法 Download PDF

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Abstract

一种同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，包括：多个微环谐振器，该多个微环谐振器制作于SOI片上，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器包括一个输入波导和一个输出波导以及一个微环，该微环位于输入波导和输出波导之间；一光纤阵列，该光纤阵列并排镶嵌在石英材料内；其中微环谐振器阵列的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，形成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构。

Description

同侧输入、输出的微环传感器结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的设计、微纳加工及生物传感领域，特别是涉及一种同侧输入、输出的微环谐振器阵列及其封装方法。
背景技术
生物传感器是一种新型的具有广泛应用前景的传感结构。可广泛应用于生物医学、健康医疗、医疗药品、环境监测、国防安全和军事等。与传统的电学传感器相比，生物传感器具有不受电磁干扰、远程传感、实时探测、并能用单一设备实现多种探测等优点。微环生物传感器是基于光的耦合理论的光传感器件，它具有体积小、灵敏度高、与CMOS工艺相兼容、便于批量生产等优点。微环生物传感器的传感原理是这样的，典型的微环传感器如附图4所示，为两个直波导7、8与一个微环9的耦合，光从直波导的一端输入，满足以下条件的光将耦合进入微环：
mλ＝Neff·L
其中m为耦合阶数，λ为耦合波长，Neff为波导的模式折射率，L为微环的长度。在微环中传播的光到达另一耦合区将被耦合进另一波导中，并在输出端下载。当波导上限制层折射率变化时，将引起模式折射率的变化，从而引起谐振峰的移动。这就是微环生物传感器的传感原理。
要实现光信号的输入与提取，必须将光波由光纤耦合进输入波导，输出光波也必须由输出波导耦合进输出光纤，因此波导与光纤的高效耦合是该传感结构的一个重要环节，光纤与光波导的直接端面耦合是实际工作中最常见的耦合方法。在光纤与波导精确对准后，再使用折射率匹配液减少界面的反射损耗就可以实现高效耦合。
发明内容
本发明的目的在于提出一种同侧输入、输出的微环传感结构以及封装方法，一般的微环生物传感器大多都是两端耦合结构，本发明提出的同侧耦合结构相对于两端耦合结构更有利于传感检测，例如可将其直接探入被测溶液中进行检测；同时同侧耦合结构更有利于器件的小型化和集成化。
本发明是一种同侧输入、输出微环谐振器阵列结构，包括：
多个微环谐振器，该多个微环谐振器制作于SOI片上，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器包括一个输入波导和一个输出波导以及一个微环，该微环位于输入波导和输出波导之间；
一光纤阵列，该光纤阵列并排镶嵌在石英材料内；
其中微环谐振器阵列的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，形成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构。
其中所述的微环位于输入波导和输出波导之间，该微环与两侧的输入波导和输出波导的间隙相同，这有利于使更多的光由输入波导耦合进微环，并由微环耦合进输出波导。
其中所述多个微环谐振器的数量为2-8个。
其中所述多个微环谐振器采用条形波导结构。
其中所述的每个输入和输出波导的端面抛光，并镀膜以降低背反射。
其中所述的光纤阵列的端面镀膜以降低背反射。
其中所述的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，是采用紫外胶进行粘结的。
本发明提供一种同侧输入、输出的微环传感器的封装方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上旋涂光刻胶，通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；
步骤2：通过干法刻蚀技术在SOI片的顶层硅上刻蚀出多个微环谐振器，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器包括一个输入波导和一个输出波导以及一个微环，该微环位于输入波导和输出波导之间；
步骤3：对微环谐振器阵列进行切片和端面抛光，对输入和输出波导的端面镀膜；
步骤4：取一并排镶嵌在石英材料内的光纤阵列，将该光纤阵列的端面镀膜；
步骤5：将光纤阵列中的光纤与输入和输出波导直接对准，并用紫外胶粘合在一起，完成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构的制备。
其中所述的微环位于输入波导和输出波导之间，该微环与两侧的输入波导和输出波导的间隙相同，这有利于使更多的光由输入波导耦合进微环，并由微环耦合进输出波导。
其中所述多个微环谐振器的数量为2-8个。
其中所述多个微环谐振器采用条形波导结构。
其中所述的每个输入和输出波导的端面抛光，并镀膜以降低背反射。
其中所述的光纤阵列的端面镀膜以降低背反射。
其中所述的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，是采用紫外胶进行粘结。
附图说明
为了更详细的说明本发明的目的和优势以及实施方式，下面结合附图和具体实施例对本发明做一个更详细的描述，其中：
图1为光纤阵列结构示意图。
图2为微环谐振器的阵列结构示意图。
图3为微环谐振器阵列与光纤阵列耦合结构示意图。
图4为典型的微环谐振器结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2所示，本发明提供一种同侧输入、输出微环谐振器阵列结构，包括：
多个微环谐振器6，该多个微环谐振器6制作于SOI片10上，每个微环谐振器6包括一个输入波导3a和一个输出波导4a以及一个微环5a；其中所述的微环5a位于输入波导3a和输出波导3a之间，该微环5a与两侧的输入波导3a和输出波导4a的间隙相同，这有利于使更多的光由输入波导3a耦合进微环5a，并由微环5a耦合进输出波导4a；四组微环谐振器结构相同，但是微环大小不同，根据技术背景里介绍的微环传感器的传感原理，微环的大小不同，对应的可以耦合进微环并由微环耦合进输出波导的光的波长不同，就可以检测不同频率的光波；所述的多个微环谐振器6的数量为2-8个，本实施例为4个；虽然本实施例设计了4个微环谐振器，但实际应用中可以根据实际情况增加或减少；多个微环谐振器6采用条形波导结构，波导宽度视具体应用的不同而不同，一般在300nm～1μm；每个微环谐振器6中的输入波导3a与输出波导4a间距为125μm，同时一个微环谐振器6的输出波导4a与相邻微环谐振器的输入波导3b间距也是125μm，这样可以保证与光纤阵列2的精确对准；所述的每个输入波导和输出波导的端面抛光，并镀膜以降低背反射。
请参阅图1所示，一光纤阵列2，该光纤阵列2并排镶嵌在石英材料内，该光纤阵列2包括8条光纤1a-1h；光纤阵列2内的光纤等间距，每相邻两个光纤的间距为125μm；光纤阵列2的端面镀膜以降低背反射。
请参阅图3所示，该微环谐振器阵列的输入波导3a、3b、3c、3d和输出波导4a、4b、4c、4d端面抛光并镀膜以降低背反射，分别与光纤阵列2中的光纤1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h对准连接，是采用紫外胶进行粘结。由于光纤阵列2中的光纤1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h的截面尺寸相对于输入波导3a、3b、3c、3d和输出波导4a、4b、4c、4d的横截面大得多，这使得波导与光纤的对准比较容易。
请参阅图3所示，本发明还提供一种同侧输入、输出的微环传感器的封装方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片10上旋涂光刻胶，通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；
步骤2：通过干法刻蚀技术在SOI片10的顶层硅上刻蚀出多个微环谐振器6，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器6包括一个输入波导3a和一个输出波导4a以及一个微环5a，该微环5a位于输入波导3a和输出波导4a之间；
步骤3：对微环谐振器阵列进行切片和端面抛光，对输入波导3a、3b、3c、3d和输出波导4a、4b、4c、4d的端面镀膜；
步骤4：取一并排镶嵌在石英材料内的光纤阵列2，该光纤阵列2包括8条光纤1a-1h，将该光纤阵列2的端面镀膜；
步骤5：将光纤阵列2中的光纤与输入波导3a、3b、3c、3d和输出波导4a、4b、4c、4d直接对准，并用紫外胶粘合在一起，完成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构的制备。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保扩范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种同侧输入、输出微环谐振器阵列结构，包括：
多个微环谐振器，该多个微环谐振器制作于SOI片上，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器包括一个输入波导和一个输出波导以及一个微环，该微环位于输入波导和输出波导之间；
一光纤阵列，该光纤阵列并排镶嵌在石英材料内；
其中微环谐振器阵列的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，形成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构。
2.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述的微环位于输入波导和输出波导之间，该微环与两侧的输入波导和输出波导的间隙相同，这有利于使更多的光由输入波导耦合进微环，并由微环耦合进输出波导。
3.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述多个微环谐振器的数量为2-8个。
4.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述多个微环谐振器采用条形波导结构。
5.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述的每个输入和输出波导的端面抛光，并镀膜以降低背反射。
6.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述的光纤阵列的端面镀膜以降低背反射。
7.根据权利要求1所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构，其中所述的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，是采用紫外胶进行粘结的。
8.一种同侧输入、输出的微环传感器的封装方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上旋涂光刻胶，通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；
步骤2：通过干法刻蚀技术在SOI片的顶层硅上刻蚀出多个微环谐振器，形成微环谐振器阵列，每个微环谐振器包括一个输入波导和一个输出波导以及一个微环，该微环位于输入波导和输出波导之间；
步骤3：对微环谐振器阵列进行切片和端面抛光，对输入和输出波导的端面镀膜；
步骤4：取一并排镶嵌在石英材料内的光纤阵列，将该光纤阵列的端面镀膜；
步骤5：将光纤阵列中的光纤与输入和输出波导直接对准，并用紫外胶粘合在一起，完成同侧输入、输出的微环谐振器阵列结构的制备。
9.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述的微环位于输入波导和输出波导之间，该微环与两侧的输入波导和输出波导的间隙相同，这有利于使更多的光由输入波导耦合进微环，并由微环耦合进输出波导。
10.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述多个微环谐振器的数量为2-8个。
11.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述多个微环谐振器采用条形波导结构。
12.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述的每个输入和输出波导的端面抛光，并镀膜以降低背反射。
13.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述的光纤阵列的端面镀膜以降低背反射。
14.根据权利要求8所述的同侧输入、输出的微环谐振器阵列的封装方法，其中所述的输入波导和输出波导分别与光纤阵列中的光纤对准连接，是采用紫外胶进行粘结。
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