CN113218547B - 一种用于双传感的高q穿孔柔性微环谐振腔的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，由柔性衬底层、总线波导、微环谐振腔以及穿孔缺陷组成，总线波导与微环型谐振腔集成在柔性衬底上，总线波导与微环型谐振腔之间存在间隙，光从总线波导一端输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔；穿孔缺陷位于微环谐振腔正上方；本发明的穿孔微环谐振腔，由于其完美的角对称性被打破，腔体内出现对称驻波模式与非对称驻波模式，这两种驻波模式在腔体内的电磁场能分布有差异，因此可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。利用此结构，可以解决柔性光子器件在生物传感应用中，由于力‑光耦合效应引入非生物因素干扰的问题。
Description
技术领域
本发明属于光子器件和生物传感技术应用领域，更加具体地说，涉及一种可实现折射率与压力同时探测的新型穿孔型高Q值的柔性微环谐振腔的结构。
背景技术
基于回音壁模式的光学微型谐振腔作为传感器，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众多传感系统中已经被大量地研究。其中微环型谐振腔由于具有较高的Q值从而能够获得较低的探测极限，并且环形结构简单，易于制备，有利于使器件微型化以便集成。当光以全反射的形式在回音壁模式(WGM)谐振腔传播时，满足谐振条件的光将在腔内传输被循环进而实现谐振状态，受限光在输出光谱上表现为下陷尖峰的洛伦兹线型。谐振腔作为生物传感器在探测行为发生前，传感器位于生物缓冲液中，当探测物质附着于传感器表面时，传感器表面附近的折射率发生改变，最终导致谐振波长发生偏移，将偏移量化为生物分子因素变化的定量表征，这就是生物传感实现的原理。
当把集成光学谐振腔的柔性光子器件用于生物传感时，器件在弯曲，压缩，拉伸等变形中不可避免的受到机械压力的影响，谐振腔由于径向剪切应力会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，这就造成非生物因素对探测的影响，严重降低了生物传感结果的准确性。
在基于回音壁模式的谐振腔中，光固有地支持两种谐振频率、场分布相同而传播方向相反的顺时针(CW)和逆时针(CCW)的场传播模式。而WGM模式的产生源于这两种模式的简并。当这种简并状态被打破，原WGM模式发生变化，将会产生诸如模式分裂的新谐振模式。新谐振模式的出现，使得传感器能够实现多重因素传感的可能，丰富了其应用领域的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供能够实现双传感的新型穿孔柔性微环谐振腔的结构设计，可以同时探测谐振腔周围折射率以及所受压力的变化，能同时作为折射率传感器与压力传感器，解决柔性光子器件在生物传感应用中由于力-光耦合效应造成的准确性降低的技术问题。
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：
一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，由柔性衬底层、总线波导、微环型谐振腔以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷组成，总线波导以及微环谐振腔设置在柔性衬底层上；微环谐振腔与总线波导之间存在间隙；在总线波导的两端分别设置总线波导入口和总线波导出口；穿孔型缺陷位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导；沿这一连线，总线波导与微环谐振腔的距离即为两者之间存在的间隙；
从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输，当光传输到穿孔型缺4时，部分辐射光继续沿着原始方向进行传输，部分辐射光从缺陷处辐射到自由空间并被反射进入微环谐振腔，进而沿着与原始方向相反的方向进行传播，即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，即光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场。
而且，微环型谐振腔与总线波导的高度一致。
而且，微环型谐振腔的外半径3.215μm，内半径2.785μm，高度为230nm。
而且，微环型谐振腔与总线波导之间存在间隙为耦合间隙，大小为80nm。
而且，总线波导的截面为矩形，宽度为430nm，高度为230nm。
而且，穿孔型缺陷为圆柱形，半径为130nm，高度为230nm。
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，以及采用折射率为3.47的Si作为总线波导与微环型谐振腔的材料。
利用该种穿孔微环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，利用微环腔内中两种不同驻波模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，求解二阶灵敏度逆矩阵，能够实现周围环境折射率与谐振腔所承受压力变化的双传感。即：
其中，Δn和Δp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，Δλ,SM和Δλ,ASM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；二阶灵敏度特征矩阵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,ASM和SP,ASM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。
在本发明的有限时域差分数值模拟中，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76.03nm/RIU和5.37pm/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68.82nm/RIU和6.15pm/kPa。通过求解灵敏度逆矩阵，代入上述的公式，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：
本发明的可实现双传感应用的穿孔微环谐振腔结构，其特征在于，具有较高的Q值，其中对称型驻波模式的Q值可达到1200，非对称型驻波模式的Q值可达到2200。根据探测极限的公式：
与现有技术相比，本发明公开一种能够实现折射率与压力双传感的具有高Q值新型穿孔柔性微环谐振腔的结构设计，主要由柔性衬底层、总线波导、微环谐振腔以及穿孔缺陷组成，总线波导与微环型谐振腔集成在柔性衬底上，总线波导与微环型谐振腔之间存在一定间隙，光从总线波导一端输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔；穿孔缺陷位于微环谐振腔正上方；本发明的穿孔微环谐振腔，由于其完美的角对称性被打破，腔体内出现对称驻波模式与非对称驻波模式，这两种驻波模式在腔体内的电磁场能分布有差异，因此可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。
本发明的技术方案能够实现双传感应用的穿孔型微环谐振腔结构，在柔性光子器件的生物传感应用中，可有效的消除力-光耦合效应对于折射率探测的影响，解决了由于机械变形的时压力因素对生物传感探测结果不准确的问题，同时解决柔性光子器件在生物传感应用中，由于力-光耦合效应引入非生物因素干扰的问题。
附图说明
图1是本发明的穿孔型微环谐振腔结构示意图(1)，其中柔性衬底层1、总线波导2、总线波导输入端2-1、总线波导输出端2-2、微环型谐振腔3、穿孔型缺陷4。
图2是本发明实施例中穿孔型微环型谐振腔在1.55μm附近的归一化传输光谱图。
图3是本发明实施例中对称驻波模式和非对称驻波模式的z方向电场分量与归一化场强分布图。
图4是本发明实施例中谐振波长在1550nm附近一个周期的对称驻波模式与非对称驻波模式的归一化传输光谱图。
图5是本发明实施例中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。
图6是本发明实施例中对称驻波模式与非对称驻波模式的折射率灵敏度曲线图。
图7是本发明实施例中穿孔型微环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8是本发明实施例中穿孔型微环谐振腔衬底表面受到500kPa均匀载荷(压力)时，穿孔缺陷及微环在x方向(a)与y方向(b)的位移变化模拟图。
图9是本发明实施例中穿孔型微环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10是本发明实施例中穿孔型微环型谐振腔受到不同均匀载荷(压力)时的归一化传输光谱图。
图11是本发明实施例中谐振波长偏移与施加均匀载荷之间(压力)的关系以及两种驻波模式所对应的压力灵敏度曲线图。
图12是本发明的穿孔型微环谐振腔结构示意图(2)，其中柔性衬底层1、总线波导2、总线波导输入端2-1、总线波导输出端2-2、微环型谐振腔3、穿孔型缺陷4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明在传统微环谐振腔中引入穿孔型缺陷形成穿孔微环谐振腔结构，通过将传统的刚性衬底替换为柔性衬底SU-8，并在微环谐振腔的正上方引入穿孔型缺陷实现腔体内的模式分裂现象，从而出现一种支持对称驻波模式(SM)与非对称驻波模式(ASM)的新型微环谐振腔结构。其主要包括柔性衬底层1、总线波导2、微环谐振腔3以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷4，总线波导2以及微环谐振腔3设置在柔性衬底层1上；微环谐振腔3与总线波导2之间存在间隙；在总线波导2的两端分别设置总线波导入口2-1和总线波导出口2-2；穿孔型缺陷4位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，即从高度方向来看，穿孔型缺陷贯穿于微环谐振腔，从俯视方向来看，穿孔型缺陷并未将微环谐振腔断开，相当于在微环谐振腔上打了一个“圆洞”，形成中空的穿孔结构。从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导。沿这一连线，总线波导与微环谐振腔(即微环谐振腔的外表面)的距离即为两者之间存在的间隙。
从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔3(微环谐振腔整体为实心环状结构)并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输。假设光沿逆时针方向在微环谐振腔内进行传输，当光传输到穿孔型缺陷4时，部分辐射光继续沿着逆时针方向进行传输，部分辐射光从缺陷处辐射到自由空间并被反射进入微环谐振腔，进而沿着顺时针方向进行传播，即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，即光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场；总线波导出口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、总线波导以及微环谐振腔的材料可根据实际需要进行选择，总线波导与微环谐振腔之间的耦合间隙以及穿孔缺陷的大小可以进行选择。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作为总线波导与微环型谐振腔的材料。周围环境设置成折射率为1的空气。总线波导截面为矩形，其宽度为430nm，高度为230nm，微环谐振腔外半径3.215μm，内半径2.785μm，穿孔缺陷为圆柱形，半径为130nm，高度为230nm，微环谐振腔与总线波导的耦合间隙为80nm。
具体来说，光通过总线波导耦合进入穿孔微环谐振器腔中。光传输到穿孔时会从穿孔的始端辐射到自由空间，部分辐射光可以耦合进入穿孔另一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穿孔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，重新进入到穿孔微环谐振腔中的辐射光将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，从而形成对称驻波模式与非对称驻波模式，光谱上表现为双谐振峰。如附图12所示，在总线波导中红色箭头自总线波导输入端2-1到总线波导输出端2-2，在微环型谐振腔中沿着红色箭头方向为CCW(红色虚线，标记为逆时针方向)，沿着黑色箭头方向为CW(黑色虚线，标记为顺时针方向)。
在有限时域差分法的数值模拟中，课题组采用TE极化模的光源从总线波导的一端输入并耦合到谐振腔中，得到本发明提出的新型微环型谐振腔在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，包含了三个周期的谐振峰。图中左侧插图为对称驻波模式(谐振波长为1556nm附近的对称驻波模式)，可以看出，场强分布关于穿孔型缺陷所在的纵轴中心对称(即在缺陷左右两侧，相同弧度的位置存在相同的红色或者蓝色的区域)，并且泄露到环形谐振器外的能量较大，其Z轴电场分量以及归一化场强的放大图如图3(a)(b)所示；右侧插图为非对称驻波模式(谐振波长为1561nm附近的非对称驻波模式)，场强分布关于穿孔型缺陷所在的纵轴中心不对称(即在缺陷左右两侧，相同弧度的位置，一侧为红色，另一侧为蓝色或者一侧为蓝色，另一侧为红色)，并且泄露到环形谐振器外的能量较小，其Z轴电场分量以及归一化场强的放大图如图3(c)(d)所示。
谐振波长在1550nm附近一个周期的对称驻波模式与非对称驻波模式的归一化传输光谱如图4所示，左侧插图是这两种模式Q值的比较情况柱状图。对称型驻波模式的Q值可达到1200，非对称型驻波模式的Q值可达到2200。这种具有较高Q值的双传感谐振腔结构对应传输光谱中较尖锐的下陷尖峰，不仅有助于传感信号的分辨，还可得到很低的探测极限。
本发明的穿孔微环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,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，ASM和SP,ASM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。
改变不同周围环境的折射率值进行处理，图5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，在图中沿着上下两个箭头方向，折射率逐渐增大。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6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76.03nm/RIU和68.82nm/RIU。对应的对称和非对称驻波模式的折射率探测极限分别为1.739×10-4RIU与1.024×10-4RIU。
在研究压力灵敏度时，我们考虑了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，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，微环型谐振腔尺寸变化如图7所示，图中左侧是整个微腔传感器件压力时总位移的示意图，右侧为微环处y方向上的位移场，中间插图为穿孔型微环谐振腔受力后变形的放大图。具体地，微环谐振腔以及穿孔型缺陷在x与y方向位移的变化情况分别于图8(a)与图8(b)中展示；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9所示，由于力-光耦合效应，微腔的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10所示，随着上下两个箭头方向，载荷(压力)逐渐增大。随着施加在衬底的压力的增大，对称驻波模式与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11所示。根据拟合曲线得到对称驻波模式与非对称驻波模式的压力灵敏度分别为5.37pm/kPa和6.15pm/kPa。对应的对称和非对称驻波模式的压力探测极限分别为2.41kPa与1.146kPa。
至此，得到了二阶灵敏度矩阵MRI,P。在已知两种驻波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，Δn和Δp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，Δλ,SM和Δλ,ASM分别表示对称驻波模式与非对称驻波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消除它受力-光耦合效应的影响。解决了由于机械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，均可实现谐振腔结构的设计，且测试表现出与本发明一致的性能。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 (10)
1.一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，由柔性衬底层、总线波导、微环型谐振腔以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷组成，总线波导以及微环谐振腔设置在柔性衬底层上；微环谐振腔与总线波导之间存在间隙；在总线波导的两端分别设置总线波导入口和总线波导出口；穿孔型缺陷位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导；沿这一连线，总线波导与微环谐振腔的距离即为两者之间存在的间隙；从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输，光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场。
2.根据权利要求1所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，微环型谐振腔的外半径3.215μm，内半径2.785μm，高度为230nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，微环型谐振腔与总线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所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，总线波导的截面为矩形，宽度为430nm，高度为230nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，穿孔型缺陷为圆柱形，半径为130nm，高度为230nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，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，以及采用折射率为3.47的Si作为总线波导与微环型谐振腔的材料。
7.利用如权利要求1—6之一所述的一种用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构实现折射率与压力的双传感的方法，其特征在于，利用微环腔内中两种不同驻波模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，求解二阶灵敏度逆矩阵，能够实现周围环境折射率与谐振腔所承受压力变化的双传感：
其中，Δn和Δp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，Δλ,SM和Δλ,ASM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；二阶灵敏度特征矩阵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,ASM和SP,ASM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。
8.根据权利要求7所述的方法，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76.03nm/RIU和5.37pm/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68.82nm/RIU和6.15pm/kPa；对称驻波模式对应的折射率探测极限和压力探测极限分别为1.739×10-4RIU与2.41kPa；非对称驻波模式对应的折射率探测极限和压力探测极限分别为1.024×10-4RIU与1.146kPa。
9.如权利要求1—6之一所述的用于折射率与压力的双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构在柔性光子器件的生物传感应用中的应用。
10.如权利要求7或者8所述的方法在柔性光子器件的生物传感应用中的应用。
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