CN113203506B - 一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，由柔性衬底层、直波导、微盘谐振腔组成，单直波导与微盘型谐振腔集成在柔性衬底上，单直波导与微盘型谐振腔之间存在间隙，光信号从单直波导的一端输入后，经过两者的间隙区域发生耦合进入到微盘腔中发生谐振，光信号从直波导的另一端输出。本发明的微盘型谐振通过特定尺寸的设定，可以支持两种回音壁模式，由于这两种WGM模式在腔体内的电磁场能分布有差异，可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。在柔性光子器件的生物传感应用中，此种谐振腔结构可以有效的控制了力‑光耦合效应，解决了由于弯曲变形时压力因素对生物传感探测结果不准确的问题。
Description
技术领域
本发明属于光子器件和传感技术应用领域，更加具体地说，具体涉及一种可实现折 射率与压力因素同时探测的微盘型谐振腔的结构。
背景技术
回音壁模式(WGM)谐振腔已经引越来越广泛的关注，其独特的特性已取得了令人瞩目的成就。特别是，当与光学传感技术结合使用时，基于WGM谐振腔的传感器具有 体积小，灵敏度高，抗电磁干扰和实时动态响应的优点。目前，这种类型的传感器已广 泛应用于生化传感领域，在环境保护，疾病监测和药物发现等领域中体现着至关 重要的作用。WGM模式是一种具有圆形结构的微谐振腔所支持的表面模式。基 于回音壁模式的光学谐振腔是一种利用光在腔体内传输时的全反射将光场限制在极小空 间区域内的光学系统，这样的结构使得满足谐振条件的特定波长的光在微腔内传输时可 以发生谐振，从而获得极高的品质因数。同时其具有超低的模式体积，使得器件谐振谱 线的线宽非常低，因此可探测出极其微小的探测物的变化。基于回音壁模式的微盘谐振 腔与其他传感器相比具有更明显的优势。
多数光学生物传感器是利用光场倏逝波来实现对目标分析物的探测。探测行为发生 前，传感器位于生物缓冲液中，当目标分析物与生物识别分子特异性结合时，由于目标分析物与生物缓冲液分子的折射率不同，传感器表面附近的折射率将发生改变，这种变 化被分布在传感器表面附近的倏逝波检测到，并作为生物传感的探测结果。当集成光学 谐振腔的柔性光子器件用于生物传感，并发生弯曲等机械变形时，谐振腔径向剪切应力 引起腔体尺寸的变化，同时由于力-光耦合效应会引起腔体有效折射率的变化，因此将会 导致谐振波长的偏移，这就引入入非生物因素的影响，严重降低了探测结果的准确度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决柔性光子器件在生物传感应用中由于 力—光耦合效应造成的探测误差的问题，本发明提供了一种可实现双传感应用的微盘谐 振腔结构，同时检测周围环境折射率以及谐振腔所受压力的变化，作为折射率传感器和压力传感器一同使用，实现了双传感应用。
为了实现上述技术目的，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，由柔性衬底层、 单直波导和微盘型谐振腔组成，单直波导以及微盘型谐振腔均位于柔性衬底层上，微盘 型谐振腔与单直波导之间存在间隙处；在单直波导的两端分别设置单直波导输入端和单 直波导输出端，整个微盘型谐振腔为一个圆柱结构，半径2μm，高度为230nm；单直波 导的截面为矩形，宽度为390nm，高度为230nm，微盘型谐振腔与单直波导的耦合间隙 为90nm；光从单直波导入口输入并在微盘型谐振腔和单直波导之间的间隙处通过耦合进 入到微盘型谐振腔；在微盘型谐振腔内部形成支撑两种WGM模场的谐振模式，分别为 靠近微盘半径外部边缘的一阶模式与靠近微盘半径内部的二阶模式。
而且，采用折射率为1.56的SU-8作为传感系统的柔性衬底材料。
而且，采用折射率为3.47的Si作为单直波导与微盘型谐振腔的材料。
利用该种微盘型谐振腔结构实现折射率与压力的双传感的方法，其特征在于，利用 微盘中两种不同WGM模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知两种WGM 模式对应谐振波长偏移的条件下，采用二阶灵敏度逆矩阵，可以同时检测出谐振腔周围 环境折射率的变化以及所受压力的改变，如下：
其中，△n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表示二阶灵敏度矩阵的逆矩阵，△λ,WGM(0,36)和△λ,WGM(1,28)分别表示一阶WGM模式和二阶WGM模式对应的谐振波长偏移。二阶灵敏度矩阵MRI,P如下：
其中，SRI,WGM(0,36)和SP,WGM(0,36)分别表示一阶WGM模式对应的 折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,WGM(1,28)和SP,WGM(1,28)分别表示 二阶WGM模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
在本发明的有限时域差分数值模拟中，得到一阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为29.07nm/RIU和0.576pm/kPa，二阶WGM模式对应的折射率灵敏度 和压力灵敏度分别为38.68nm/RIU和0.589pm/kPa。通过求解灵敏度逆矩阵，代入权利 公式，即可分别测量出环境折射率变化或者器件承受压力的单一因素所引起的谐振波长 的偏移。即：
本发明通过对微盘型谐振腔结构在不同折射率环境以及不同压力条件下的三维数值 模拟，研究一种能够实现柔性光学生物传感器的方法就是引入双传感机制，得到一阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为29.07nm/RIU和0.576pm/kPa，二 阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为38.68nm/RIU和0.589pm/kPa。； 利用二阶灵敏度矩阵MRI,P的逆矩阵，可以分别得到环境折射率变化或谐振腔所受压力单 一因素引起的谐振波长偏移。这种能够实现双传感应用的微盘型谐振腔结构，在柔性光 子器件的生物传感应用中，可以有效的消除力-光耦合效应对于折射率探测的影响，解决 了由于弯曲变形的时压力因素对生物传感探测结果不准确的问题和由力-光耦合作用对 生物探测结果造成干扰的难题。
附图说明
图1是本发明的微盘型谐振腔结构示意图，其中柔性衬底层1、单直波导2、直波导输入 端2-1、单直波导输出端2-2、微盘型谐振腔3。
图2是本发明实施例的微盘型谐振腔在1.55μm附近的归一化传输光谱图。
图3是谐振波长偏移与周围环境折射率变化之间的关系曲线图(即不同周围环境下谐振 波长在1.55μm附近的归一化传输光谱)。
图4是本发明实施例中折射率灵敏度曲线图。
图5是微盘型谐振腔衬底底面受到500Kpa均匀载荷时(压力)的变形情况模拟图。
图6是微盘型谐振腔器件在不同载荷(压力)条件下谐振腔的有效折射率测试曲线图。
图7是微盘型谐振腔受到不同均匀载荷(压力)时的归一化传输光谱图，其中左侧插图 为一阶WGM(0,36)模式谐振波长偏移的放大图，右侧插图为二阶WGM(1,28)模式谐振波 长偏移的放大图。
图8是图7中谐振波长偏移与施加均匀载荷压力之间的关系以及两种模式所对应的压力 灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明。
如附图1所示，本发明在基于传统微盘型谐振腔的基础上，通过将传统的刚性衬底替换为柔性衬底SU-8，并合理的设置微盘型谐振腔的尺寸以及与单直波导的耦合间隙， 提出支持两种WGM模式分布的新型微盘型谐振腔结构。其包含柔性衬底层1、单直波 导2、微盘型谐振腔3；单直波导2以及微环谐振腔3均位于柔性衬底层1上；微盘型谐 振腔3与单直波导2之间存在间隙处；在直波导2的两端分别设置单直波导输入端2-1 和单直波导输出端2-2，光从单直波导入口输入并在微盘型谐振腔和单直波导之间的间隙 处通过耦合进入到微盘型谐振腔3；整个微盘型谐振腔为一个圆柱结构(即整体实心的圆 柱体)，在微盘型谐振腔内部形成支撑两种WGM模场的谐振模式，分别为靠近微盘半 径外部边缘(即整体圆柱形微盘的外侧附近)的一阶WGM(0，36)模式与靠近微盘半 径内部(即整体圆柱形微盘的内侧附近)的二阶WGM(1，28)。这两种谐振模式的光 场能量分布有所差异，从而对外界环境改变的灵敏度有所不同，这是实现双传感应用的 关键。直波导出口2-2是光信号的输出端，用于接收归一化传输光谱的测量。
柔性衬底层、单直波导以及微盘谐振腔的材料和尺寸与谐振腔所支持的WGM模式及光场能量分布密切相关，为支持特定的两种WGM模式，本发明采用折射率为1.56的 SU-8作为传感系统的柔性衬底材料，以及采用折射率为3.47的Si作为单直波导与微盘 型谐振腔的材料。周围环境设置成折射率为1的空气。单直波导宽390nm，高度230nm， 微盘型谐振腔的半径2μm，微盘型谐振腔整体为实心圆柱形，其高度与单直波导一致， 与单直波导的耦合间隙为90nm，即从微盘型谐振腔的圆心向单直波导做垂线，垂线与圆 形微盘型谐振腔的圆弧的交点沿垂线方向到单直波导的距离。
在有限时域差分法的数值模拟中我们采用TE极化模的光源从单直波导的一端输入 并耦合到谐振腔中，得到本发明提出的微盘型谐振腔在1.55μm(光学领域常用于传输)附近的归一化传输光谱，如图2所示，包含了两个周期的谐振峰，图中的插图分别为谐 振波长为1557nm附近的一阶WGM(0，36)模式和谐振波长为1571nm附近的二阶WGM (1，28)模式的模场分布图。光通过单直波导传输进入耦合区域时，满足一阶WGM模 式谐振波长的光耦合进入微盘型谐振腔，并在微盘外部半径周围形成WGM(0，36)模 场，随后二阶WGM模式谐振波长的光耦合进如微盘型谐振腔，并在微盘内部半径周围 形成WGM(1，28)模场，不满足谐振波长的光直接从输出端传出，因此在归一化传输 光谱线中表现为两个下陷尖峰。由于两种WGM模场的光场能量分布有差异，两者谐振 峰的尖锐度不同，对外界环境改变的灵敏度也不同。
微盘型谐振腔的双传感性能可通过建立二阶灵敏度矩阵MRI,P来描述：
其中，SRI,WGM(0,36)和SP,WGM(0,36)分别表示一阶WGM模式对应的折 射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,WGM(1,28)和SP,WGM(1,28)分别表示二 阶WGM模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
通过改变周围环境的折射率(从1至1.05以0.01的步长改变)进行折射率灵敏度的探究，图3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，由数字1到 数字6(箭头所示方向)，随着折射率的增大，WGM(0,36)与WGM(1,28)模式的谐振波 长均发生红移，具体偏移情况如图4所示。相对于一阶WGM模式而言，二阶WGM模 式对应的谐振波长偏移更大，这是因为二阶WGM模式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WGM(0,36)与WGM(1,28)模式对应 的灵敏度折射率分别为29.07nm/RIU和38.68nm/RIU。
在研究压力灵敏度时，本课题组考虑影响谐振波长的两个因素，即有效折射率和谐 振腔尺寸。首先对谐振腔尺寸的变化进行说明，由于谐振腔尺寸比SU-8衬底尺寸小的多， 我们在建模时所使用的衬底大小为100μm×100μm。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y方向的自由度。当衬底受到均匀压力且大小为500kPa时， 微盘型谐振腔尺寸变化如图5所示(图中左侧主题是整个微腔传感器件压力时总位移的 示意图，右侧插图为微盘出y方向上的位移场)；其次，对于有效折射率的变化，采用 基于模式分析的数值解和线性拟合，结果如图6所示，由于力-光耦合效应，微腔有效折 射率的改变与施加的载荷(压力)成正线性相关。最后，将结构尺寸的变化与有效折射 率的改变引入不同载荷(压力)的微盘谐振腔中，通过三维数值模拟得到谐振腔在0-1000 kPa受力条件下的归一化传输光谱，如图7所示。图7中小箭头所示附图为相应位置的放 大图，在小箭头所示的附图中，随着图7中大箭头所示的方向，压力逐渐增大。随着施 加在衬底的压力的增大，一阶与二阶WGM模式的谐振波长均发生红移，波长偏移的具 体大小如图8所示，分别为WGM(0,36)模式，WGM(1,28)模式及两者的线性拟合。根据 拟合曲线得到WGM(0,36)与WGM(1,28)模式的压力灵敏度分别为0.576pm/kPa和0.589 pm/kPa。
至此，得到了二阶灵敏度矩阵MRI,P。在已知两种WGM模式对应谐振波长偏移的条件下，采用二阶灵敏度逆矩阵，可以同时检测出谐振腔周围环境折射率的变化以及所受 压力的改变，即：
其中，△n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表示二阶灵敏度矩阵的逆矩阵，△λ,WGM(0,36)和△λ,WGM(1,28)分别表示一阶 WGM模式和二阶WGM模式对应的谐振波长偏移。
利用本发明提出的方法，在柔性光子器件的生物传感应用中，此种谐振腔结构可以 有效的控制了力-光耦合效应，解决了由于弯曲变形的时压力因素对生物传感探测结果不 准确的问题。
根据本发明内容进行参数调整，均可实现本发明的技术方案，经测试且表现出与本 发明基本一致的性能。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 (7)
1.一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，其特征在于，由柔性衬底层、单直波导和微盘型谐振腔组成，单直波导以及微盘型谐振腔均位于柔性衬底层上，微盘型谐振腔与单直波导之间存在间隙处；在单直波导的两端分别设置单直波导输入端和单直波导输出端，整个微盘型谐振腔为一个圆柱结构，半径2μm，高度为230nm；单直波导的截面为矩形，宽度为390nm，高度为230nm，微盘型谐振腔与单直波导的耦合间隙为90nm；光从单直波导入口输入并在微盘型谐振腔和单直波导之间的间隙处通过耦合进入到微盘型谐振腔；在微盘型谐振腔内部形成支撑两种WGM模场的谐振模式，分别为靠近微盘半径外部边缘的一阶模式与靠近微盘半径内部的二阶模式。
2.根据权利要求1所述 的一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，其特征在于，采用折射率为1.56的SU-8作为传感系统的柔性衬底材料。
3.根据权利要求1所述 的一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，其特征在于，采用折射率为3.47的Si作为单直波导与微盘型谐振腔的材料。
4.如权利要求1—3之一所述的微盘型光学谐振腔结构在柔性光子器件的生物传感应用中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，消除力-光耦合效应对于折射率探测的影响和解决了由于弯曲变形的时压力因素对生物传感探测结果不准确的影响。
6.利用如权利要求1—3之一所述的微盘型光学谐振腔结构实现折射率与压力双传感的方法，其特征在于，利用微盘型光学谐振腔结构的两种不同WGM模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知两种WGM模式对应谐振波长偏移的条件下，采用二阶灵敏度逆矩阵，同时检测出谐振腔周围环境折射率的变化以及所受压力的改变，如下：
其中，△n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表示二阶灵敏度矩阵的逆矩阵，△λ,WGM(0,36)和△λ,WGM(1,28)分别表示一阶WGM模式和二阶WGM模式对应的谐振波长偏移； 二阶灵敏度矩阵MRI,P如下：
其中，SRI,WGM(0,36)和SP,WGM(0,36)分别表示一阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,WGM(1,28)和SP,WGM(1,28)分别表示二阶WGM模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，一阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为29.07nm/RIU和0.576pm/kPa，二阶WGM模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为38.68nm/RIU和0.589pm/kPa。
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