CN110319861B - 一种可实现双传感应用的微谐振腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，包括柔性衬底层、直波导、微环谐振腔以及开口角缺陷，直波导以及微环谐振腔均位于柔性衬底层上；微环谐振腔与直波导存在一定间隙，光从直波导一端输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔；开口角缺陷位于微环谐振腔正上方；直波导的另一端是光信号的输出端。本发明的谐振腔结构能够同时测量周围环境折射率的变化以及谐振腔所受载荷的大小，通过建立灵敏度矩阵及其逆矩阵，可以得到折射率或者压力单一因素变化对谐振波长偏移的影响。在柔性光子器件的生物传感应用中，利用此谐振腔结构以及上述方法可以解决由力光耦合作用对生物探测结果造成干扰的难题，使探测结果更加准确。
Description
技术领域
本发明属于光子集成和传感技术应用领域，更加具体地说，具体涉及一种可实现双传感应用的新型微谐振腔结构。
背景技术
支持回音壁模式的微谐振腔作为信号转换器，在温度传感、折射率传感、应变传感、压力传感、超声传感以及生物传感等诸多传感系统中已经被大量地研究。在微谐振腔中，光以全反射的形式沿着腔壁向前传输并经历多次循环。如果循环光路是光波长的整数倍，受限光便在腔体中实现谐振，光谱响应表现出洛伦兹线型。由于被探测物质会改变光子原有的循环光路，所以谐振波长的偏移量可以量化温度、应变以及折射率等被探测物质的具体变化。微谐振腔的高品质因数和低模式体积使其谐振谱线的线宽非常窄，因此可以检测到被探测物质极其细微的变化，在传感技术应用中，基于回音壁模式的微谐振腔与其他传感器相比具有更明显的优势。
随着纳米技术的迅速发展，许多新颖的微谐振腔结构不断出现，一些新的谐振现象也随之产生，人们对回音壁模式的理解也愈发深刻，促进了模式理论进一步地发展。对于基于回音壁模式的谐振腔而言，光在其中传输时具有谐振频率、场分布相同而传播方向相反的顺时针(CW)和逆时针(CCW)两种场传播模式，而回音壁模式(WGM)的产生源于这两种模式的简并。如果简并状态被打破，那么原来的WGM将发生变化，最终形成诸如模式分裂这样新的谐振模式。由于新的谐振模式的产生，微谐振腔不再拘泥于检测单一刺激因素的普通传感技术领域，实现了多传感探测的可能，大大扩展了其应用的广度与深度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，同时检测周围环境折射率以及谐振腔所受载荷的变化，即能够作为折射率传感器和压力传感器一并使用，实现了双传感应用。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，包括柔性衬底层、直波导、微环谐振腔以及开口角缺陷，直波导以及微环谐振腔均位于柔性衬底层上；微环谐振腔与直波导之间存在间隙；在直波导的两端分别设置直波导入口和直波导出口；开口角缺陷位于微环谐振腔上，为微环谐振腔断开一段圆弧所致，连接微环谐振腔的两端断口处形成连接弦，连接微环谐振腔圆心和微环谐振腔的两端断口处形成两条直径，两条直径所夹的圆心角即为开口缺陷的开口角，自微环谐振腔圆心做一条垂直于连接弦的垂线，该垂线平分连接弦，开口缺陷的开口角为大于零度且小于等于15度。
在上述技术方案中，开口缺陷的开口角为6—10度。
在上述技术方案中，微环谐振腔与直波导之间存在间隙为耦合间隙，大小为80nm。
在上述技术方案中，直波导宽430nm，高230nm。
在上述技术方案中，微环谐振腔外半径3.215μm，内半径2.785μm。
在上述技术方案中，采用折射率分别为1.56、3.47的SU-8和Si作为传感系统的衬底和谐振腔材料。
上述可实现双传感应用的微谐振腔结构在同时探测周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化中的应用。
使用可实现双传感应用的微谐振腔结构进行周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化探测的方法，在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，利用二阶传感特征矩阵MRI,P的逆矩阵，可以同时检测到周围环境折射率的变化以及微环谐振腔承受的压力，即：
其中，Δne和p分别表示周围环境折射率变化以及谐振腔所受压力大小，MRI,P -1表示灵敏度矩阵的逆矩阵，Δλr,SM和Δλr,AM分别表示对称驻波模式和非对称驻波模式对应的谐振波长偏移。二阶传感特征矩阵MRI,P如下：
其中，SRI,SM和SP,SM分别表示对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,AM和SP,AM分别表示非对称驻波模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
在本发明的数值模拟中，得到对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为77.07nm/RIU和5.01pm/kPa，非对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为69.54nm/RIU和5.72pm/kPa，此时利用二阶传感特征矩阵MRI,P的逆矩阵，可以同时检测到周围环境折射率的变化以及微环谐振腔承受的压力，即：
本发明通过对单开口微环谐振腔结构在不同环境以及不同受力条件下的三维数值模拟，得到对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为77.07nm/RIU和5.01pm/kPa，非对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为69.54nm/RIU和5.72pm/kPa；通过求解灵敏度矩阵的逆矩阵，可以分别得到环境折射率变化或谐振腔所受载荷单一因素引起的谐振波长偏移。利用这种方法，可以解决力光耦合效应对生物探测结果造成干扰的难题，使探测结果更加准确，为柔性光学谐振腔集成到生物传感系统中提供了创新的研究思路并具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的单开口微环谐振腔结构示意图(1)，其中柔性衬底层1、直波导2、直波导入口2-2、直波导出口2-1、微环谐振腔3、开口角缺陷4。
图2是传统微环谐振腔以及不同开口角的单开口微环谐振腔在1.55μm附近的归一化传输光谱图，其中散点为基于时域有限差分法模拟得到的数值解，虚线为传统微环谐振腔传输光谱的洛伦兹拟合，实线为基于开口微环谐振腔传输光谱理论模型的解析解。
图3(a)是单开口微环谐振腔在不同折射率周围环境中的归一化传输光谱图。
图3(b)是图3(a)中谐振波长偏移与周围环境折射率变化之间的关系以及两种模式所对应的折射率灵敏度曲线图。
图4(a)是单开口微环谐振腔衬底表面受到250Kpa均匀载荷时的变形情况模拟图。
图4(b)是单开口微环谐振腔衬底表面受到250Kpa均匀载荷时开口角的变形情况模拟图。
图4(c)是不同载荷条件下谐振腔的有效折射率测试曲线图。
图4(d)是单开口微环谐振腔受到不同均匀载荷时的归一化传输光谱图。
图4(e)是图4(d)中谐振波长偏移与施加均匀载荷之间的关系以及两种模式所对应的压力灵敏度曲线图。
图5是本发明中单开口微环谐振腔结构示意图(1)，其中柔性衬底层1、直波导2、微环谐振腔3、开口角缺陷4、o为微环谐振腔的圆心，r为微环谐振腔的直径(内径或者外径)，d为位于开口角缺陷中微环谐振腔断开处的连接弦，θ为开口角缺陷的开口角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如附图1所示，本发明在传统微环谐振腔中引入缺陷角形成单开口微环谐振腔结构，柔性衬底层1、直波导2、微环谐振腔3以及开口角缺陷4，直波导2以及微环谐振腔3均位于柔性衬底层1上；微环谐振腔3与直波导2之间存在间隙；在直波导2的两端分别设置直波导入口2-2和直波导出口2-1，光从直波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔3；开口角缺陷4位于微环谐振腔上，光传输到开口角缺陷4时会产生顺时针和逆时针传输方向的光场，从而引起两个相反方向传播的WGM之间的耦合，原有简并被打破，导致模式分裂的产生，这是实现双传感应用的关键；直波导出口2-1是光信号的输出端。
柔性衬底层、直波导以及微环谐振腔的材料可根据实际需要进行选择，直波导与微环谐振腔之间的耦合间隙以及开口角缺陷的大小可以进行选择。采用折射率分别为1.56、3.47的SU-8和Si作为传感系统的衬底和谐振腔材料，周围环境设置成折射率为1的空气。直波导宽430nm，高230nm，单开口微环谐振腔外半径3.215μm，内半径2.785μm，开口角大小7度，与直波导的耦合间隙为80nm。针对开口角缺陷的具体位置，详见附图5，微环谐振腔具有开口缺陷，该开口缺陷实际上为微环谐振腔断开一段圆弧所致，连接微环谐振腔的两端断口处形成连接弦d，连接微环谐振腔圆心和微环谐振腔的两端断口处形成两条直径r，此时两条直径r所夹的圆心角即为开口缺陷的开口角θ，自微环谐振腔圆心o做一条垂直于d的垂线，该垂线平分d。
光通过直波导耦合进入单开口微环谐振器腔中。光传输到开口角处时会从开口角始端辐射到自由空间，部分辐射光可以耦合进入开口角末端并沿着与光初始传输方向相同的方向继续向前传输，部分辐射光则被反射进入开口角始端沿着与光初始传播方向不同的方向继续传输，其他部分的辐射光辐射到周围环境中。因此，重新进入到单开口微环谐振腔中的辐射光引起两个相反方向传播的WGM之间的耦合，原有简并被打破，从而导致模式分裂的产生，光谱上表现为双谐振峰，理论模型如下：
其中，β＝-iΔω+iδ0+Γ/2，κ0和κ1分别表示谐振腔本征损耗和直波导-谐振腔耦合损耗，i为虚数，δ0和δ1分别表示相同和相反传播方向光场的耦合系数，Γs表示辐射到周围环境中的辐射光给整个系统增加的额外损耗，Γ表示系统所有损之和，即Γ＝Γs+κ0+κ1，△ω为传统微环谐振腔和开口微环谐振腔之间的频率变化。
为了简洁并且不失去讨论的一般性，在数值模拟中我们使用TE极化模从直波导的一端输入并耦合到谐振腔中，得到传统微环谐振腔以及不同开口角的单开口微环谐振腔在1.55μm(光学领域常用于传输)附近的传输光谱，如图2所示，其中散点为基于时域有限差分法模拟得到的数值解，虚线为传统微环谐振腔传输光谱的洛伦兹拟合，实线为基于开口微环谐振腔传输光谱理论模型的解析解，可以发现，理论和模拟吻合情况良好。随着开口角度的增加，非对称驻波模式在谐振腔中的强度不断增强，而对称驻波模式的强度不断减小，这是因为损失到周围环境中的辐射光逐渐增多，当开口角大到一定程度时，系统整体损耗将大于形成对称驻波模式的耦合系数，对称驻波模式随之消失，单开口微环谐振腔中仅存在非对称驻波模式，使谐振腔丧失双传感的功能，即具有开口角缺陷的微环谐振腔存在两个峰值，分别对应非对称(矮小)和对称式(尖锐)。在传感性能的研究中我们发现，当谐振腔的开口角设置较小时，在较大范围的载荷条件下，开口角的变化远远小于使对称驻波模式消失的开口角大小，所以不必担心单开口微环谐振腔无法同时探测周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力的变化。因此开口缺陷的开口角为大于零度且小于等于15度，优选6—10度。接下来的模拟中我们将开口角大小设置为7度。
单开口微环谐振腔的双传感性能可通过建立二阶传感特征矩阵MRI,P来描述：
其中，SRI,SM和SP,SM分别表示对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,AM和SP,AM分别表示非对称驻波模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
更换不同周围环境的折射率值进行处理，图3(a)表示不同周围环境下谐振波长在1.55μm附近的归一化传输光谱，随着折射率的增大，对称和非对称驻波模式的谐振波长均发生红移，具体偏移情况如图3(b)所示。相对于非对称驻波模式而言，对称驻波模式对应的谐振波长偏移更大，这是因为在谐振腔外的场分布更强，对周围环境折射率的变化更加敏感。从拟合曲线可以得到对称和非对称驻波模式对应的灵敏度折射率分别为77.07nm/RIU和69.54nm/RIU。
在压力灵敏度的研究中，我们考虑了影响谐振波长的两个因素，即谐振腔尺寸和有效折射率。对于谐振腔尺寸的变化，由于SU-8衬底尺寸比谐振腔尺寸大的多，我们在建模时使用100μm×100μm大小的衬底。边界条件采用预设边界条件，限制衬底底面与左右侧面相交线x方向和y方向的自由度。当衬底受到大小为250kPa的均匀压力时，谐振腔具体变形情况如图4(a)所示，开口角的变化如图4(b)所示(左图为开口角附近x方向上的位移场，右图为开口角附近y方向上的位移场)；对于有效折射率变化，我们利用模式分析得到例如不同载荷条件下谐振腔的有效折射率，如图4(c)所示，分别为基于模式分析的数值解和线性拟合。我们将结构的变化以及有效折射率的变化引入到不同载荷条件下的单开口微环谐振腔中，通过三维数值模拟得到谐振腔在0-500kPa受力条件下的归一化传输光谱，如图4(d)所示。增大施加在衬底上的压力会使对称和非对称驻波模式的谐振波长均发生红移，波长偏移的具体大小如图4(e)所示，分别为对称驻波模式，非对称驻波模式，对称驻波模式对应谐振波长偏移的线性拟合和非对称驻波模式对应谐振波长偏移的线性拟合。两种模式所对应的谐振波长偏移随施加压力呈线性变化，根据拟合曲线得到对称驻波模式和非对称驻波模式的压力灵敏度分别为5.01pm/kPa和5.72pm/kPa，这是已经报道的WGM谐振腔用作压力传感器灵敏度的三至四倍。
我们得到了二阶传感特征矩阵MRI,P。在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，利用MRI,P的逆矩阵，可以同时检测到周围环境折射率的变化以及单开口微环谐振腔承受的压力，即：
其中，Δne和p分别表示周围环境折射率变化以及谐振腔所受压力大小，MRI,P -1表示灵敏度矩阵的逆矩阵，Δλr,SM和Δλr,AM分别表示对称驻波模式和非对称驻波模式对应的谐振波长偏移。利用上述方法，可以消除柔性光子器件在生物传感应用中力光耦合效应的影响。
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 (10)
1.一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，包括柔性衬底层、直波导、微环谐振腔以及开口角缺陷，直波导以及微环谐振腔均位于柔性衬底层上；微环谐振腔与直波导之间存在间隙；在直波导的两端分别设置直波导入口和直波导出口；开口角缺陷位于微环谐振腔上，为微环谐振腔断开一段圆弧所致，连接微环谐振腔的两端断口处形成连接弦，连接微环谐振腔圆心和微环谐振腔的两端断口处形成两条直径，两条直径所夹的圆心角即为开口缺陷的开口角，自微环谐振腔圆心做一条垂直于连接弦的垂线，该垂线平分连接弦，开口缺陷的开口角为大于零度且小于等于15度。
2.根据权利要求1所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，开口缺陷的开口角为6—10度。
3.根据权利要求1或者2所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，微环谐振腔与直波导之间存在间隙为耦合间隙，大小为80nm。
4.根据权利要求1或者2所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，直波导宽430nm，高230nm。
5.根据权利要求1或者2所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，微环谐振腔外半径3.215μm，内半径2.785μm。
6.根据权利要求1或者2所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构，其特征在于，采用折射率分别为1.56、3.47的SU-8和Si作为传感系统的衬底和谐振腔材料。
7.如权利要求1—6之一所述的一种可实现双传感应用的微谐振腔结构在同时探测周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化中的应用。
8.使用可实现双传感应用的微谐振腔结构进行周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化探测的方法，其特征在于，在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，利用二阶传感特征矩阵MRI,P的逆矩阵，可以同时检测到周围环境折射率的变化以及微环谐振腔承受的压力，即：
其中，△ne和p分别表示周围环境折射率变化以及谐振腔所受压力大小，MRI,P -1表示灵敏度矩阵的逆矩阵，△λr,SM和△λr,AM分别表示对称驻波模式和非对称驻波模式对应的谐振波长偏移；二阶传感特征矩阵MRI,P如下：
其中，SRI,SM和SP,SM分别表示对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,AM和SP,AM分别表示非对称驻波模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
9.根据权利要求8所述的使用可实现双传感应用的微谐振腔结构进行周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化探测的方法，其特征在于，对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为77.07nm/RIU和5.01pm/kPa，非对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为69.54nm/RIU和5.72pm/kPa，此时利用二阶传感特征矩阵MRI,P的逆矩阵同时检测到周围环境折射率的变化以及微环谐振腔承受的压力，即：
10.如权利要求8或者9所述的使用可实现双传感应用的微谐振腔结构进行周围环境折射率以及谐振腔结构所受压力变化探测的方法在消除柔性光子器件在生物传感应用中力光耦合效应影响中的应用。
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2018
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