CN108415125A - 一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统，包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。本发明还提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法。本发明的有益效果是：波导与微腔直接相连，对制备精度要求不高，用光刻即可实现，有效降低了成本，并且，耦合效率较高，同时适用于多种半导体材料。

Description

一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及微腔耦合系统，尤其涉及一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法。

背景技术

以回音壁模式（WGM）工作的光学微腔，凭借其高品质因数，较小的模体积，且制备较为简单等优势，在近些年受到了广泛关注。基于光学微腔研发的器件已在基础科学研究和光电技术研发领域发挥了不可替代的作用。然而，在片上器件与光学系统之间实现充分有效地信息交换仍是一大难点，时下常见的耦合方式则仍存在着各自的弊端。

目前国内外研究的光学微腔的主要形式有微球，微芯环，微盘和微环等。微球谐振腔的体积一般比较大，可以达到较高的品质因子(Q值)，约为，因此通常被用来制作生物传感器，以提高其检测灵敏度和分辨率，已广泛地应用于病毒、蛋白分子、DNA等生物分析物的检测。微芯环腔的品质因子也比较高，其在很多领域都得到了大量的研究，包括量子信息，非线性光学，微光机电和光通信等。采用受激布里渊激光结合传统半导体工艺的技术，已实现对微腔大小的精准控制，并且将谐振腔的Q值提高到。微盘谐振腔在上个世纪90年代就开始被用来制作激光器，凭借其低阈值的特性，已在该领域具有巨大的优势。利用飞秒激光微加工和热回流过程制备的微盘谐振腔Q值可达到，该工艺不仅为在多种材料和多种尺寸上的微腔加工提供了可行性，同时降低了加工过程产生的谐振腔表面粗糙度。微盘腔可与微加工工艺兼容，从而可实现批量化的生产。

对于如微腔传感及光学调制等方面的应用而言，较高的耦合效率无疑是关键。现有的方式中已证明有足够高效的耦合方法。如能满足较为严苛的耦合条件，如利用棱镜或拉锥光纤耦合的机制可获得高达99.9%的耦合效率。另一种方式是利用时间反演过程可以通过自由空间中的汇聚光激发出微腔中的回音壁模式，这一方式即为空间光耦合。此过程对光束位置的控制不作精确的要求，耦合效率相对不高，约为30%，现已在生物传感器和激光泵浦等方面得到应用。

在实际应用中，利用倏逝波耦合的方法需要微腔与入射波导的有效折射率相近，保证相位匹配条件。微球腔通常采用基于拉锥光纤的耦合方法，但需要对微球和光纤的相对位置做到精确控制，以满足较为严苛的耦合条件。实际应用中耦合系统可能对外界环境扰动较为敏感，不适于在条件复杂的测量环境件下进行实时监测。对于片上波导耦合系统而言，其间距一般控制在两百个纳米以内，制备精度较高，用传统光刻方法难以实现，采用电子束曝光则大大增加了成本，限制了其商用化。如果在垂直方向上进行耦合，则需要精确控制波导和微腔之间的交叠。相较于倏逝波耦合的方法，利用自由空间会聚光耦合的效率相对较低，且必须在显微镜下进行操作，尤其是对尺寸位于波长量级的微腔而言。因此，如何提供一种高效率、低成本的微腔耦合系统是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中倏逝波耦合中存在的问题，本发明提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法。

本发明提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统，包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。

作为本发明的进一步改进，所述波导与所述微腔为端面直接耦合。

作为本发明的进一步改进，所述微腔为圆形。

本发明还提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法，采用SOI并依次通过曝光和刻蚀制备出微腔和与其直接相连的波导。

本发明的有益效果是：通过上述方案，波导与微腔直接相连，对制备精度要求不高，用光刻即可实现，有效降低了成本，并且，耦合效率较高，同时适用于多种半导体材料。

附图说明

图1是本发明一种高效率、低成本的微腔耦合系统的结构示意图。

图2是本发明一种高效率、低成本的微腔耦合系统的端面耦合的远场出射仿真结果示意图。

图3是不同波长下的远场出射归一化透射谱以及相应点的场分布图。

图4是带有Y型分束器的微腔与波导相连的结构示意图。

图5是半径为的微腔归一化反射率图。

图6是微腔半径为时实验得到的反射信号图。

图7是不同波导宽度时的端面耦合效率及Q值以及不同材料折射率条件下的端面耦合效率图。

图8是端面耦合的微腔表面附着待测高分子聚合物颗粒以及待测高分子聚合物颗粒附着前后的反射谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高效率、低成本的微腔耦合系统，主要由两部分构成：波导2和微腔1。与传统倏逝波耦合方式不同，本系统中，所述波导2与所述微腔1直接相连，在连接波导2中输入光信号后直接进入微腔1中激发出谐振模式，因此不用考虑波导与微腔1的相位匹配。在实际制备中，由于波导2和微腔1尺寸往往在500nm以上，同时不用考虑波导2和微腔1的间距，所以这种结构可以使用传统的光刻方法制备，大大降低了制备成本，方便大规模批量生产和集成应用。

一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法，采用SOI（Silicon-on-insulator）并依次通过曝光和刻蚀制备出微腔2和与其直接相连的波导1，微腔1由片上微盘构成，SOI即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。一段范围波长的光由波导一端入射，满足一定条件时在微腔1中相干增强并形成稳定的传输模式，即发生谐振。此时光在微腔1中循环往复，能量可以有效地限制在微腔1内。对于一个给定的谐振腔，能够存在很多谐振模式，可以用模式数M表示。谐振条件可以表示为：，其中谐振波长，是模式有效折射率和模式半径的函数，，是谐振腔半径。对于一个特定的模式（即M为定值），和的改变都会引起谐振波长的变化。考虑到腔外介质与谐振模式的相互作用，当环境条件变化时，谐振腔及其周围介质中的能量分布即会发生改变。利用谐振腔的这一特点，可以将其利用于生化传感领域。Q值是光学模式中的一个基本物理量，用来描述谐振腔储存光能量的效率以及腔内谐振模式的强度，可以用谐振波长与其对应的半高宽之比表示。具有高Q的光学模式谱线较锐利，有利于在传感应用中分辨出谐振波长的移动，相应地提高传感器的灵敏度。

在圆对称的光学回音壁模式微腔中，光学模场受到界面上的全反射限制，光只能沿其切线方向通过倏逝波在平面内各向同性出射。圆形的微腔1加入直接相连的波导2后，原有的对称性被破坏。如图2所示，根据有限元仿真软件COMSOL Multiphysics计算得到远场强度，在该模式下微腔1中传播的光绝大部分沿波导2方向输出，可以实现良好的方向性出射。

类似地，利用仿真结果给出了一系列不同入射波长条件下的远场出射光归一化透射谱，如图3（a）所示，计算位置为图3（c）中虚线标记处，在图3中，（a）为不同波长下的远场出射归一化透射谱， （b）（c）为对应于（a）中相应点的场分布。

仿真计算中波导2的宽度w设置为，R为圆形微腔1的半径，传播模式为TM（transverse magnetic）偏振，材料色散已被忽略。kR表示归一化波长，其中k=2π/λ。

根据计算结果，远场透射率多集中在0.5附近，对应的场分布图样如图3（c），此时大部分光能通过介质散失，仅有少部分光能够有效局域在微腔1中；在kR～5.187附近，透射率则锐减到接近0，图3（b）为这一点对应的场分布。据此可以看出光通过波导2耦合进入并充分限制在了微腔1中。值得注意的是，包括基模在内的很多其他模式也可以通过微腔1的端面耦合激发出来。

为探究端面耦合方式能够达到的效率，本发明利用SOI通过曝光和刻蚀制备出如图4所示的带有Y型分束器的微腔1与波导2直接相连的结构，通过实验测量得到不同波长下的耦合效率，并与相应的仿真结果进行对比，在图4中，（a）为片上单位结构，（b）为光栅耦合器3， （c）为微腔1与波导2相连的直接耦合系统，（d）为Y型分束器。

由激光器发出的光经由光纤通过光纤耦合器进入片上结构，满足谐振条件时耦合进入微腔1并在其中循环往复，最终由另一端光栅耦合器3输出，并由光电探测器检测到随波长变化的反射信号。归一化的测量结果与相应仿真计算值如图5所示，其中微盘半径为。

实验测量得到的模式能够与仿真结果相互对应，验证了仿真计算结果的可靠性。对于如图4所示的结构，光在片上结构中传播共经历两次端面耦合，耦合效率为，则光离开末端光栅耦合器3进入光纤的能量可以表示为，为归一化反射率，为光进入片上结构时的能量。则耦合效率可以表示为。由此可以计算得到实验测量结果中有多个模式均可以实现50%的耦合效率，效率极大值出现在波长为1530nm附近，可达61%。在此实验基础上，本发明设计制备了包含半径为微腔的上述片上结构，并用同样的实验方法测量得到了反射谱。

随着尺寸的增大，微腔1中被激发出的模式明显增多，谱线中谐振峰更为尖锐，模式的Q值较图5中时的结果明显提高。根据曲线拟合结果，Q值可达。端面耦合效率在多数模式中同样能够达到50%，效率极值出现在波长为1539nm附近，约为56%。

片上微盘和微环等结构通常利用相邻的波导通过倏逝波耦合进出，这种方法依赖于对波导宽度以及与微腔间距的精确控制，实际制备中的微小偏差都可能对耦合效率造成较大影响，采用端面耦合的方法则可以有效地避免这一问题。通过仿真计算，证明了对于一系列不同的波导宽度以及材料有效折射率，这一方法能够保证足够的耦合效率，如图6所示。

如图7所示，图7（a）为不同波导宽度时的端面耦合效率及Q值，图7（b）为不同材料折射率条件下的端面耦合效率，对于一个选定的模式和固定的微盘的半径R，图7（a）中显示在一个较大的波导宽度变化范围内，其仍能保持高达80%的耦合效率。仿真结果中Q值较小的问题可以通过增大微盘尺寸解决，同时这一结果也说明了即使模式Q值不高仍可以满足很高的耦合效率。图7（b）则说明对于折射率在n=2.3到n=3.5间的材料，利用端面耦合均可以实现超过30%的耦合效率。以上计算结果表明端面耦合的方法适用于包括硅、砷化镓（GaAs）以及氮化镓（GaN）在内的大多数半导体材料，同时在实际制备中易于通过光刻的方法实现较高的耦合效率，方法简单且有效控制了制备成本。

如图8所示，在图8中，（a）为端面耦合的微盘表面附着待测高分子聚合物颗粒，（b）（c）为待测高分子聚合物颗粒附着前后的反射谱对比，利用端面耦合制备的片上微腔结构可以广泛应用于免标记无损光学传感领域。根据前述对微腔耦合机理的分析，当微腔1上吸附有如图8所示的待测高分子聚合物颗粒（待测纳米颗粒）4时，相当于微盘材料有效折射率增大，则相应地测量得到的光谱中谐振峰出现明显红移。根据光谱中谐振峰位置的移动规律，可以对待测环境温度的变化或待测生物试剂的组分变化等做出推断。由于波导2与微腔1直接相连，传感系统的稳定性大大增强，相较于传统的光纤和波导耦合更适于复杂条件下的实时连续监测。

基于对时下常见的耦合方式各自弊端的综合分析，本发明采用将波导2与微腔1直接相连的耦合机制。这种端面入射耦合方式无需相位匹配和非对称反射谱线，并可以实现沿输入波导高效的定向输出。

本发明提供的一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法，具有以下优点：

1）基于SOI的片上结构尺寸较小，结构简单，工艺成熟，有利于制备成片上阵列并与片上探测器等实现高度集成，可以有效地提高测量的通量；

2）微腔1与波导2直接相连，对制备精度要求不高，用光刻即可实现，有效降低了成本；

3）耦合效率较高，同时适用于多种半导体材料。根据实验测量结果，在多数模式中耦合效率可达50%，效率极大值约为61%，仿真计算得到的效率可达80%；

4）耦合系统稳定性好，可用于复杂条件下的实时连续监测与传感。端面耦合方法还可以用于制备光学滤波器、调制器，以及应用于包括飞秒频率梳技术和原子钟在内的光学频率精密测量和信号时钟同步等领域。

5）在微腔1上增加连接波导2可以实现多端口调制、滤波等效果。

本发明提供的一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法，可以应用于生化检测、环境监测、光学精密测量等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。

2.根据权利要求1所述的高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：所述波导与所述微腔为端面直接耦合。

3.根据权利要求1所述的高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：所述微腔为圆形。

4.一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法，其特征在于：采用SOI并依次通过曝光和刻蚀制备出微腔和与其直接相连的波导。