CN111103261A - 一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器 - Google Patents

一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，包括两条直线信道波导和五个跑道型微环谐振器。每个所述跑道型微环谐振器均包括一个上直道段和一个下直道段，其中第一个跑道型微环谐振器位于两条直线信道波导之间，上下直道段分别与两条直线信道波导耦合；另外四个跑道型微环谐振器的上直道段均与下方直线信道波导耦合，下直道段不经过耦合区域。本发明使用时，输入的光由上方直线信道波导耦合入第一个跑道型微环谐振器，而后耦合出至下方直线信道波导，再经由四个跑道型微环谐振器，最终在输出端形成尖锐且低背景噪声的单一谐振峰，实现高灵敏度，高品质因子，低误差的液体折射率检测功能。

Description

一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，属于光传感的技术领域。
背景技术
SOI光学传感器有多种结构类型，包括光子晶体、马赫-泽德干涉和各种谐振腔等。其中，微环谐振传感器具有低插入损耗、高稳定性和小尺寸等优势。
灵敏度和品质因子是判断微环谐振传感器性能的两个重要因素。目前，基于本征硅波导的传感器难以获得高灵敏度；同时，减小谐振峰带宽以获得高品质因子的方法大多需要倾斜入射的光信号或者增加器件尺寸，不利于大规模集成。因此，提升基于SOI的微环谐振传感器的灵敏度和品质因子当前正面临巨大挑战。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，具备高品质因子和高灵敏度，同时集成化和小型化。
技术方案：本发明提出一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，包括两条直线信道波导和五个跑道型微环谐振器。每个所述跑道型微环谐振器均包括一个上直道段和一个下直道段，其中第一个跑道型微环谐振器位于两条直线信道波导之间，上下直道段分别与两条直线信道波导耦合；另外四个跑道型微环谐振器的上直道段均与下方直线信道波导耦合，下直道段不经过耦合区域。
进一步，所述直线信道波导和跑道型微环谐振器均为光栅结构。
进一步，所述直线信道波导和跑道型微环谐振器的弯曲部分的光栅结构的构造相同。
进一步，所述所有跑道型微环谐振器的弯曲部分形状尺寸相同，上下直道段长度有微小差异。
进一步，跑道型微环谐振器的上下直道段的光栅周期与其他区域有微小差异。
进一步，第一个跑道型微环谐振器的上下耦合区域的耦合间距相同。
进一步，另外四个跑道型微环谐振器的耦合区域的耦合间距均相同。
进一步，所述上下直线信道波导两端的输入端和输出端由普通波导拉锥渐变为光栅波导的结构。
进一步，所述直线信道波导和跑道型微环谐振器的材质均为SOI。
有益效果：
1、本发明基于跑道型微环谐振器，结构紧凑，有效控制了器件的尺寸；
2、本发明采用全光栅结构，增强了解析物与传感器中光信号的相互作用，从而使传感器灵敏度有很大提升；
3、通过四个工作于全通状态的微环谐振器对第一个微环谐振器的输出光谱进行裁剪，使得输出谱线更尖锐，提高了品质因子。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的顶视图；
图3为第一个跑道型微环谐振器的传输谱线图；
图4为第二和第三个跑道型微环谐振器的传输谱线图；
图5为第二至第五个跑道型微环谐振器的传输谱线图；
图6为本发明输出端的传输谱线图；
图7为图3状态下的光信号随着折射率的变化而发生的谱线偏移图；
图8为图7中传输谱线对应的谐振波长和折射率改变之间的关系图；
图9为图6状态下的光信号随着折射率的变化而发生的谱线偏移图；
图10为图9中传输谱线对应的谐振波长和折射率改变之间的关系图。
具体实施方式
本发明的一个实施例，如图1和图2所示，一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，包括两条直线信道波导和五个跑道型微环谐振器。所述直线信道波导和跑道型微环谐振器均为SOI材质的光栅结构，直线信道波导和跑道型微环谐振器的弯曲部分光栅结构相同，跑道型微环谐振器的上下直道段的光栅周期依据长度需要，与其他部分有微小差异。两条直线信道波导的两端均设有渐变结构，本实施例中的渐变结构是上下直线信道波导两端的输入端和输出端由普通波导拉锥渐变为光栅波导的结构，用以减小耦合损耗。
第一个跑道型微环谐振器位于两条直线信道波导之间，上下直道段与上下两条直线信道波导分别耦合；另外四个跑道型微环谐振器均位于下直线信道波导下方，只有上直道段与下直线信道波导有耦合。所有跑道型微环谐振器的弯曲部分均为180°圆弧，半径为R。
入射光从上直线信道波导的左侧输入，进入直线信道波导后与第一个跑道型微环谐振器上直道段发生耦合，部分光信号通过第一个跑道型微环谐振器后经由下直道段耦合进下直线信道波导，另一部分光信号从上直线信道波导的右侧输出，不再使用。
耦合进入下直线信道波导的光信号以从右向左的方向传输，按顺序分别与第二至第五个跑道型微环谐振器的上直道段进行耦合并绕环传输后，回到下直线信道波导继续向左传输，最终由下直线信道波导左侧输出。
本实施例中光栅结构的波导的模式传输常数为β，模式损耗系数为α，虚数单位为j，因此对应的复传播常数为(β-jα)；
跑道型微环谐振器的上下耦合区域的长度即为上下直道段的长度Li(i＝1,2,3,4,5)，故每个跑道型微环谐振器在耦合区的相位改变分别为ψi＝Li(β-jα)；
跑道型微环谐振器的180°圆弧部分相位改变均为φ＝πR(β-jα)；
跑道型微环谐振器的上下耦合区域的振幅耦合系数为ki；振幅传输系数为ti。
如图3所示，从第一个跑道型微环谐振器下直道段耦合至下直线信道波导的归一化光功率为
Figure BDA0002365871840000031
第二至第五个跑道型微环谐振器的归一化功率传输特性为
Figure BDA0002365871840000032
第二和第三个跑道型微环谐振器用于减小图3中谱线的带宽，传输特性为T2 2T3 2，如图4所示；第四和第五个跑道型微环谐振器用于抑制图3中光谱在带宽减小后产生的旁瓣，第二至第五个跑道型微环谐振器的总传输特性为T2 2T3 2T4 2T5 2，如图5所示。
如图6所示，输出端最终可以得到一个尖锐的谐振峰，完整的传输特性为D2T2 2T3 2T4 2T5 2。
因此，本发明可以获得尖锐的线形，便于光信号的探测。
在仿真时，R选为10μm，在弯曲损耗可忽略的前提下保证了器件小型化。波导的宽高分别为0.6μm和220nm。直线信道波导和跑道型微环谐振器的180°圆弧部分采用的光栅周期均为200nm，跑道型微环谐振器的上下直道段依据长度需要，光栅周期会在200至204nm之间调节，且同一直道段可能包含不同的周期。所有光栅结构的占空比均为0.5。第一至第五个跑道型微环谐振器的直道段长度分别为6.287μm，6.265μm，6.295μm，6.252μm和6.311μm。第一个跑道型微环谐振器的耦合间距为530nm，另外四个跑道型微环谐振器的耦合间距均为600nm。
为了验证本发明的高品质因子特性，第一个跑道型微环谐振器和完整传感器的传感特性均被仿真。当待测物设定为去离子水时，其折射率为1.333。图3所示第一个跑道型微环谐振器输出光谱的谐振峰位置为1550.03nm，3dB带宽为0.69nm；图6所示输出端光谱的谐振峰位置为1549.97nm，3dB带宽为0.29nm。仿真设置包层待测液体折射率以0.001为步长，从1.333逐步增加到1.339。图7为第一个跑道型微环谐振器的输出光谱随折射率变化而发生的谱线偏移，图8为图7中谱线在不同待测液体折射率下对应的谐振峰波长；图9为完整传感器的输出光谱随折射率变化而发生的谱线偏移，图10为图9中谱线在不同待测液体折射率下对应的谐振峰波长。
根据灵敏度的定义S＝Δλ/Δn，可以计算出第一个跑道型微环谐振器的灵敏度为538.33nm/RIU，完整传感器的灵敏度为536.67nm/RIU，忽略仿真结果所取位数造成的精度误差，可以认为二者一致。另一个衡量传感器性能的重要参数是品质因子，其定义为FOM＝S/FWHM，其中FWHM表示半高全宽，即3dB带宽。计算可得，单独第一个跑道型微环谐振器的品质因子为780.19/RIU，而本发明的完整传感器的品质因子为1850.57/RIU，远超单独的跑道型微环谐振器。
综上，本发明采用的全光栅结构通过增强解析物与光信号之间的相互作用从而获得高灵敏度，采用多个跑道型微环谐振器结构则可以实现频谱裁剪，使传感器输出端的谐振峰变得尖锐，从而获得较小的半高全宽，实现高品质因子。

Claims (9)

1.一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：包括两条直线信道波导和五个跑道型微环谐振器，两条直线信道波导分别为上方直线信道波导和下方直线信道波导；每个跑道型微环谐振器均包括一个上直道段和一个下直道段，其中第一个跑道型微环谐振器位于两条直线信道波导之间，其上下直道段分别与两条直线信道波导耦合；另外四个跑道型微环谐振器的上直道段均与下方直线信道波导耦合，下直道段不经过耦合区域。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述直线信道波导和跑道型微环谐振器均为光栅结构。
3.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述直线信道波导和跑道型微环谐振器的弯曲部分的光栅结构的构造相同。
4.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述所有跑道型微环谐振器的弯曲部分形状尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述的跑道型微环谐振器的上下直道段的光栅周期与其他区域不同。
6.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：第一个跑道型微环谐振器的上下耦合区域的耦合间距相同。
7.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：另外四个跑道型微环谐振器的耦合区域的耦合间距均相同。
8.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述上下直线信道波导两端的输入端和输出端由普通波导拉锥渐变为光栅波导的结构。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于亚波长光栅跑道型微环谐振器的折射率传感器，其特征在于：所述直线信道波导和跑道型微环谐振器的材质均为SOI。
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