CN110068893B - 一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，主要包括一条输入直波导、微环腔、中间折射率包层和一条输出直波导。光从输入波导的输入端口输入到达耦合区域后，满足谐振条件的部分光耦合进入环形波导，逐渐达到谐振状态。这种结构可以实现双直波导微环谐振腔的探测灵敏度大大提高与传统的双直波导微环结构相比，具有更高的探测灵敏度，丰富了提高微腔传感器灵敏度的方法，为高灵敏度生物传感应用提供可能。

Description

一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构
技术领域
本发明属于光子集成和生物传感领域，更加具体地说，具体涉及一种含局部中间折射率包层以实现增强传感器探测灵敏度的新型双直波导微环结构。
背景技术
近年来，由于在生物传感领域对单分子探测的需要，各种生物传感器被广泛研究。其中，回音壁模式的光学微腔生物传感器具备高灵敏度、高品质因数(Q)、小型化等诸多优点。所以，基于回音壁模式的光学微腔生物传感器受到广大研究者的格外关注。随着，回音壁模式光学微腔传感器的研究工作的相继开展，各式各样的微腔结构也相继被提出，比如微球、微盘、微环等。而微球谐振腔是三维的立体结构，非常不利于微腔结构的单片集成；相比之下，微盘和微环谐振腔为二维平面结构，利用当下的微纳加工技术，完全可以实现微腔结构的片上集成。基于平面光波导的生物传感器大多是基于光波的倏逝场进行探测。当被探测分子出现在倏逝场的探测范围内，使得周围折射率发生改变，最终引起微腔谐振波长的偏移。谐振峰的偏移表征了被探测物的出现。而由于微盘谐振腔的谐振光谱变现为多模形式，不利于观察谐振峰的偏移。与此同时，微环谐振腔具有单模传输的特点，便于检测谐振峰的偏移。由于光波导外围倏逝波的探测距离有限，就会使得光学微腔生物传感器的灵敏度有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了进一步提高微环生物传感器的探测灵敏度，提出一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构。相比于相同尺寸下的微环腔，其灵敏度得到了较大程度上的提高，这说明在传统双直波导微环谐振腔的部分结构中增加具有中间折射率的包层，从而实现提高微环生物传感器的探测灵敏度，为高灵敏度生物传感应用提供可能。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，包括输入直波导、微环腔、中间折射率包层和输出直波导，输入直波导和输出直波导平行设置，在输入直波导和输出直波导之间设置微环腔和中间折射率包层，微环腔嵌入中间折射率包层中。
在上述技术方案中，中间折射率包层厚度等于或者大于微环腔厚度，以使微环腔嵌入折射率包层中，尤其是中间折射率包层的上表面和侧面完全覆盖微环腔，以使其不与外部环境接触，需要注意的是在使用时微环腔的下表面与器件中结构相连，相当于实现包覆。
在上述技术方案中，中间折射率包层的折射率在为波导折射率和环境折射率之间，即满足条件“波导折射率>包层折射率>环境折射率”。
在上述技术方案中，中间折射率材料只对双直波导微环谐振腔的局部结构进行包覆，也就是仅对微环腔进行包覆，不包括双直波导。输入直波导的输入端口11、第二输出端口41(输出直波导)，第三输出端口42均与光探测器进行连接，实现传输光波光谱的实时监测。
在上述技术方案中，中间折射率包层3的作用就是在环形波导与周围环境之间充当过渡层，使得倏逝波的探测距离增加，从而实现双直波导微环生物传感器相对于相同尺寸传统微环结构探测灵敏度的提高。
在上述技术方案中，中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0—200nm，优选考虑中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0.1—0.15μm。
在上述技术方案中，输入直波导1和输出直波导4的二维模拟宽度均为0.2μm，折射率为3。微环腔(即环形波导)的半径为1.7μm，折射率为3(即输入直波导、输出直波导和微环腔的折射率一致)。周围环境的折射率设置为1，模拟周围环境为空气。
本发明的含局部中间折射率包层的新型双直波导微环结构，主要包括一条输入直波导、微环腔、中间折射率包层和一条输出直波导。光从输入波导的输入端口输入到达耦合区域后，满足谐振条件的部分光耦合进入环形波导，逐渐达到谐振状态。与现有技术相比，本发明有益效果是，在对双直波导微环谐振腔的微环结构使用中间折射率材料进行包覆，实现环形波导与周围环境折射率的过渡，使得倏逝波的探测范围增加，并调节中间折射率包层边缘与环形波导的距离，最终改良后的双直波导微环谐振腔的灵敏度达到480nm/RIU，而相同尺寸传统双直波导微环谐振腔的灵敏度为60nm/RIU。由此可见，对双直波导微环谐振腔的局部结构进行中间折射率材料的包覆，实现了灵敏度的较大程度的提高，丰富了提高微腔传感器灵敏度的方法，为高灵敏度生物传感应用提供可能。
附图说明
图1是本发明的含有局部中间折射率包层的双直波导微环的结构示意图。
图2(a)是高度和宽度均为0.8μm、波导折射率为3、环境折射率为1的直波导截面横模场强分布图。
图2(b)是高度和宽度均为0.8μm、波导折射率为3、环境折射率为2.5的直波导截面横模场强分布图。
图2(c)是倏逝波伸展出直波导表面的距离随着环境折射率变化模拟结果示意图。
图3(a)是输出口归一化光强和灵敏度随着中间折射率包层与波导折射率之差的变化模拟结果示意图。
图3(b)是光分别耦合进入和耦合出传统微环和改良微环的百分比随着耦合间隙变化模拟结果示意图。
图4(a)是输出端口归一化光谱图。
图4(b)是环境折射率由1变为1.01在输出端口谐振峰偏移示意图。
图4(c)是在波长为1.5214μm时本发明新型微环谐振状态场分布示意图。
图5(a)是微环谐振腔被不同尺寸中间折射率包层包覆轮廓示意图。
图5(b)是品质因数Q和灵敏度随中间折射率包层超出微环边缘距离变化的模拟结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
基于传统双直波导微环谐振腔结构，本发明在微环腔周围包覆中间折射率材料，形成含局部中间折射率包层的新型双直波导微环谐振腔结构，如图1所示。本发明的含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，主要包括四个部分：输入直波导1、微环腔2、中间折射率包层3和输出直波导4，输入直波导和输出直波导平行设置，在输入直波导和输出直波导之间设置微环腔和中间折射率包层，微环腔嵌入中间折射率包层中，如附图1所示，还包括输入端口11，第一输出端口12，输入耦合区域51，输出耦合区域52，第二输出端口41，第三输出端口42。
中间折射率包层厚度等于或者大于微环腔厚度，以使微环腔嵌入折射率包层中，尤其是中间折射率包层的上表面和侧面完全覆盖微环腔，以使其不与外部环境接触，需要注意的是在使用时微环腔的下表面与器件中结构相连，相当于实现包覆。
中间折射率包层的折射率在为波导折射率和环境折射率之间，即满足条件“波导折射率>包层折射率>环境折射率”。
中间折射率材料只对双直波导微环谐振腔的局部结构进行包覆，也就是仅对微环腔进行包覆，不包括双直波导。输入直波导的输入端口11、第二输出端口41(输出直波导)，第三输出端口42均与光探测器进行连接，实现传输光波光谱的实时监测。
理想情况下，当激光器从输入端口11输入光波，在输入耦合区域51满足耦合条件的光波耦合进入微环谐振腔，并有部分光到达输出耦合区域52时，耦合出微环，从第二输出端口41传出，当谐振达到稳定状态时，输出端口的光强接近于1，第一输出端口12的输出光强接近于0。而中间折射率包层3的作用就是在环形波导与周围环境之间充当过渡层，使得倏逝波的探测距离增加，从而实现双直波导微环生物传感器相对于相同尺寸传统微环结构探测灵敏度的提高。
输入直波导1和输出直波导4的二维模拟宽度均为0.2μm，折射率为3。微环腔(即环形波导)的半径为1.7μm，折射率为3(即输入直波导、输出直波导和微环腔的折射率一致)。周围环境的折射率设置为1，模拟周围环境为空气。环形波导与输入直波导之间的耦合间隙为0.2μm，环形波导与输出直波导之间的耦合间隙为0.2μm。
当微环谐振腔的参数确定时，从输入端口输入的光的入射角θ大于临界角θc时，部分满足谐振条件的光耦合进入微环腔，临界角θc可以表示为：
Figure BDA0001556109660000041
其中，nmedium表示周围环境介质的折射率，nwaveguide表示波导折射率。
首先，从倏逝波产生的原理出发，研究倏逝波延伸出波导表面的距离随着波导与周围环境折射率差的变化趋势。图2(a)和图2(b)为高度和宽度均为0.8μm、波导折射率为3、环境折射率分别为1和2.5的直波导截面横模场强分布图，从中可以看出当环境折射率为2.5时，即折射差为0.5时，倏逝场的伸展范围相比于环境折射率为1时有了较明显的增加。图2(c)为倏逝波伸展出直波导表面的距离随着环境折射率变化模拟结果图，从中可以看出随着环境折射率的增加，即周围环境与波导折射率差逐渐减小时，倏逝波伸展出波导表面的距离逐渐增加。这是因为随着周围环境与波导折射率差的逐渐减小，波导对光的束缚能力减弱，使得更多的光伸展出波导表面，并呈指数式衰减，最终形成了较大距离的伸展范围。
衡量微环谐振腔性能好坏的性能指标主要包含两个：品质因数(Q)和灵敏度(S)。其中，品质因数被定义为谐振频率与波峰半高全宽(峰值一般时对应的两个横坐标的差)的比值，其表达式如下：
Figure BDA0001556109660000051
其中，λres为谐振频率，FWHM为波峰半高全宽，它是谐振波长λres处的3dB带宽。
灵敏度可以被定义为谐振峰的偏移量与折射率改变量的比值，其表达式如下：
Figure BDA0001556109660000052
其中，Δλ为谐振峰偏移量，Δn表示折射率的改变量。
图3(a)为输出口归一化光强和灵敏度随着中间折射率包层与波导折射率之差变化模拟结果图。不难发现，大多数情况下，输出端口光强接近于1，表示微环谐振腔的谐振状态良好。在中间折射率包层与波导之间的折射率差为1.2-1.5时，输出口归一化光强小于1，但是仍然大于0.75，足以分辨因周围折射率轻微变化引起的谐振峰的偏移。随着中间折射率包层和波导折射率差的增加，微环谐振腔的灵敏度逐渐减小，这种趋势的产生也是由于折射率差的增加使得波导对光的束缚效果变差，与图2中直波导的相关研究相一致。图3(b)光分别耦合进入和耦合出传统微环和改良微环的百分比随着耦合间隙变化模拟结果图，其结果表明改良后的双直波导微环结构，满足谐振条件的光更容易从直波导耦合进入环形波导，并且不容易耦合出环形波导。改良后的双直波导微环结构能够更快的进入稳定的谐振状态。
图4(a)为新型双直波导微环结构达到稳定谐振状态后的谐振光谱图，谐振峰尖锐明显，有利于进行观测谐振峰的偏移情况。图4(b)为周围环境折射率由1变为1.01在输出端口谐振峰偏移图，谐振峰偏移效果明显，便于实际应用中的结果判断。图4(c)是在波长为1.5214μm时新型微环谐振状态场分布图，由此可见光场沿环分布，均匀而充盈，部分光场伸展出环腔之外，相应的几个传输端口几乎无光场分布，表明此状态下能实现较好的谐振。
上述研究均是在中间折射率层外围与环形波导相切时的结果，为了进一步提高新型双直波导微环谐振腔的灵敏度，对中间折射率层在横向上与环形波导的距离进行进一步探究。图5(a)是微环谐振腔被不同尺寸中间折射率包层包覆轮廓示意图，环形波导外围的方形表示距离环形波导边缘不同距离的包层轮廓，即中间折射率层为环形波导的外接方形(外切正方形)，由于环形波导和输入波导，以及输出波导的耦合间隙均为0.2μm，故中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0—200nm。图5(b)是品质因数Q和灵敏度随中间折射率包层超出微环边缘距离变化模拟结果图。从中可以看出随着包层边缘与环形波导边缘距离的不断增加，品质因数逐渐减小，而灵敏度先增加后减小。在其间隙为0.15μm时，灵敏度达到最大值480nm/RIU，综合两者影响，可考虑中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0.1—0.15μm。
本发明提出的含局部中间折射率包层的新型双直波导微环结构较大程度的提高了微环谐振腔的灵敏度。中间折射率对微环谐振腔的部分结构进行包覆，使得倏逝波的探测范围增加，并调节中间折射率包层边缘与环形波导的距离，最终改良后的双直波导微环谐振腔的灵敏度达到480nm/RIU，而相同尺寸传统双直波导微环谐振腔的灵敏度为60nm/RIU。生物传感器探测灵敏度的提高为高灵敏度生物传感应用提供可能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，其特征在于，包括输入直波导、微环腔、中间折射率包层和输出直波导，输入直波导和输出直波导平行设置，在输入直波导和输出直波导之间设置微环腔和中间折射率包层，微环腔嵌入中间折射率包层中；中间折射率包层的折射率在波导折射率和环境折射率之间；中间折射率包层在环形波导与周围环境之间充当过渡层，使得倏逝波的探测距离增加；中间折射率包层厚度等于或者大于微环腔厚度，以使微环腔嵌入折射率包层中，中间折射率包层的上表面和侧面完全覆盖微环腔，以使其不与外部环境接触；输入直波导的输入端口、第二输出端口，第三输出端口均与光探测器进行连接，实现传输光波光谱的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，其特征在于，中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0—200nm。
3.根据权利要求1所述的一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构，其特征在于，中间折射率包层的边缘距离环形波导边缘的距离为0.1—0.15μm。
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