CN113514420B - 一种双u型波导结构的高灵敏度传感器 - Google Patents

一种双u型波导结构的高灵敏度传感器 Download PDF

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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Abstract

本发明提供的是一种双U型波导结构的高灵敏度传感器。其特征是：它的主要结构是两条U型硅波导，弯曲部分为半圆环形；波导Ⅰ与波导Ⅱ在波导基底平面(即xy平面)的投影重叠处发生耦合(节点5与节点6)，双U型构成环形谐振腔，光场在双U型波导间发生谐振；波导弯曲处的倏逝波与目标材料发生相互作用，影响波导的有效折射率，使谐振波长漂移，从而引起输出端口透射谱的变化。本发明结构紧凑、易于集成、灵敏度高(约为655nm/RIU)，同时结构新颖、易于制备、成本较低，具有广泛的研究和应用价值。本发明可用于精确测量溶液和气体的微小浓度变化，可广泛应用于微纳光电集成化器件领域。

Description

一种双U型波导结构的高灵敏度传感器
(一)技术领域
本发明设计的是一种双U型波导结构的高灵敏度传感器，可应用于集成光学传感技术领域。
(二)背景技术
随着信息技术的不断发展，微型化已经成为了传感器的刚需，光学传感器以光子为载体，具有互不干扰的特点，不仅结构紧凑、易于集成，还具有损耗小、无接触的特点，在灵敏度上也将传统传感器远远甩在了身后，因此对于光学传感技术研究与应用一直是近些年的发展重点。
集成光波导器件是最受欢迎的一种光学传感器，多采用干涉或者谐振原理，常见的结构有马赫曾德干涉仪、微腔、微环。谐振效应的引入变相的增加了光与物质的相互作用的距离，可以很大程度上减小尺寸利于传感器件的微型化，且微环结构可以产生尖锐的谐振峰，也有利于实现高灵敏度传感。当光波导的有效折射率受外界环境改变时，谐振峰也会移动，因此可以通过检测谐振峰的移动测得目标物质浓度的变化。然而，传统通过级联或者周期性挖空来提高灵敏度的微环传感结构已经陷入了瓶颈，类似于文献“Chang Y,Dong B,Ma Y,et al.Vernier effect-based tunable mid-infrared sensor using silicon-on-insulator cascaded rings[J].Optics Express,2020,28(5)”中设计了一种基于游标效应的双环级联光波导传感器，虽然达到了3000nm/RIU，但本质上并没有提高单微环对于目标物质折射率变化的灵敏度，只是对测量结果进行了科学读数。
传统硅基微环波导传感器的灵敏度为200-400nm/RIU，近些年，单环波导传感器的灵敏度虽有所提高，但结构也日趋复杂。
文献“Robinson J T,Long C,Lipson M.On-Chip Gas Detection in SiliconOptical Microcavities[J].Optics Express,2008,16(6):4296-4301.”中设计了一种单槽微环，利用狭缝型结构可以将灵敏度提高到490nm/RIU.在此基础上“Guohui Y,Liang G,et al.Improvement of optical sensing performances of a double-slot-waveguide-based ring resonator sensor on silicon-on-insulator platform[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2014,125(2)”采用了双槽微环，将灵敏度提升到708nm/RIU，这也是目前为止单环波导达到的最高灵敏度。除槽波导之外，文献“Wu Nishan,Xia Li.Side-mode suppressed filter based on anangulargrating-subwavelength grating microring resonator with high flexibility inwavelength design.[J].Applied optics,2019,58(26)”中设计了一种亚波长光栅微环，灵敏度为627.8nm/RIU。但上述的双槽微环和光栅微环等结构，对制作工艺的要求很高，不易于制备。
为了解决上述的不足，本发明公开了一种双U型波导结构的高灵敏度传感器。该器件灵敏度为655nm/RIU，高于传统的单环波导传感器，同时结构简单，易于制备，为传感器件的设计提供了新思路。可用于液体浓度或者气体温度等物理量的实时检测和测量。可广泛用于微纳光电集成器件领域。它采用双U型结构让波导相互耦合，构成环形谐振腔，增大波导中的倏逝场与物质相互作用的距离，同时利用波导耦合与包层折射率的相互影响，提高了器件灵敏度。本发明所设计的结构具有一定的新颖性，研究价值较高。
(三)发明内容
本发明提供了一种双U型波导结构的高灵敏度传感器，该传感器成本低、尺寸小、结构稳定、便于集成，在提高现有微环传感器的物理本征灵敏度的基础上，为传感器研究提供一种新的结构，具有研究和应用价值。
本发明的目的是这样实现的：
一种双U型波导结构的高灵敏度传感器。其特征是：它由两根U型波导反扣在一起所组成(如图1、图2)，两者的弯曲部分被设计为直径一致的半圆环，两者的重叠部分于波导基底平面的投影组成了一个环形。上述器件中，探测光为宽谱光源，并由端口1输入，入射光在波导I与波导II的节点5、6处发生耦合，光场在U型区域b与U型区域e之间产生环形谐振效应。一部分光从端口2输出、一部分光从端口3输出。检测端口2、3的输出频谱，从而得知检测目标的折射率大小以及折射率变化。
探测方法包括以下步骤：
步骤一：从端口1输入宽光谱，波导Ⅰ与波导II相互耦合，光场在波导中发生谐振，同时倏逝波与目标物质发生相互作用。
步骤二：检测输出端口2、3的输出频谱，记录输出谐振峰的移动。
步骤三：谐振峰的移动与外界环境的折射率变化有关，由此，同时比对端口2与端口3的透射谱，可以得出高精度的折射率大小。另外，结合特定液体浓度与折射率的关系或者气体浓度与折射率的关系，可以精确测量、实时监测其浓度或者温度等物理量的变化。
本发明的技术构思为：
各种光波导传感器基本技术原理都是利用倏逝场与目标物质相互作用，目标物质折射率变化，引起波导模式折射率的变化。自然，光场与物质相互作用的长度越长越好。谐振环的构建有利于光信号的放大，且变相增加了产生谐振的光波与物质的相互作用。基于谐振理论：
Figure GDA0003574728900000021
其中，λ为谐振波长，L为谐振环周长，neff为波导有效折射率，m为谐振级次。
由上式可知，当波导有效折射率改变时，谐振波长也会相应的发生移动，而波导有效折射率的变化与包层折射率变化有关，即待测物质折射率的变化会改变谐振波长。
同时光波导之间的耦合效果同样受制于目标物质的折射率：
Figure GDA0003574728900000022
Figure GDA0003574728900000023
Figure GDA0003574728900000024
Figure GDA0003574728900000031
其中，K11、K22称为自耦系数，K12、K21为耦合系数，n1为波导Ⅰ折射率，n2为波导II折射率，n3为覆盖层折射率，即目标物质的折射率。由此可见目标物质的折射率变化也会对波导耦合产生影响，借此可提升传感器灵敏度。
灵敏度S定义是传感器信号相关参数(波长、强度、偏振、相位等)变化量对应于外界环境物理量(折射率、温度、磁场、电场等)变化量的比值。使用波长漂移型传感器时灵敏度S可近似定义为透射谱漂移量同目标物质折射率变化量的比值:
Figure GDA0003574728900000032
其中，λt为透射谱的峰值。
本发明的主要优势在于：
采用了纳米级波导传感器结构，减小了尺寸，有利于今后的光电集成化发展。
采用了全光探测，探测过程避免了电磁干扰，提高了传感器的抗干扰能力，降低了对外界环境的苛刻要求。
设计了一种新型的光波导传感器结构，在提升了微环传感器的物理本征灵敏度的同时控制了器件的复杂程度，有很好的创新型，具有研究和应用价值。此外，当端口2、端口3的透射能量相等时，可以精确测量交点对应的入射波长，相比于谐振峰可以有更精确读数。
本发明实现了一种新型高灵敏度微纳结构波导传感器，灵敏度为655nm/RIU，具有一定的抗干扰能力，便于以后的集成化。在进行传感检测时，可以反复使用，制备成本低，检测成本低。
(四)附图说明
图1双U型波导结构的高灵敏度传感器。其特征是：它由1、两根U型波导反扣在一起所组成，两者的弯曲部分被设计为直径一致的半圆环，两者于波导基底平面(即xy平面)的投影组成了一个环形。
图2双U型波导结构的高灵敏度传感器于波导基底平面(即xy平面)的垂直投影。
图3给出了双U型波导结构的高灵敏度传感器的传感过程中的电场模式(于rsoft软件中的仿真结果)。结果显示光场成功在U型区域b、e之间发生谐振，部分光从端口2透射，部分光从端口3透射出去。
图4给出了目标物质折射率变化时，端口2、3的透射谱的漂移现象。波长域为1162nm-1168nm，包层折射率从1.440变化到1.442，端口2、3的透射谱。从图中可见，当包层折射率从1.440变化到1.442时时，端口2的透射峰移动了1.31nm。此外，端口2与端口3的透射能量相等时，入射波长对应于1.440、1.441、1.442分别是1165.24nm、1165.83nm、1166.46nm.
(五)具体实施方案
图1、图2给出了一种的双U型波导结构的高灵敏度传感器。其特征是：它由1、两根U型波导反扣在一起所组成，两者的弯曲部分被设计为直径一致的半圆环，两者的重叠部分于波导基底平面的投影组成了一个环形。上述器件中，探测光为宽谱光源，并由端口1输入，入射光在波导I与波导II的节点5、6处发生耦合，光场在U型区域b与U型区域e之间产生环形谐振效应。一部分光从端口2输出、一部分光从端口3输出。检测端口2、3的输出频谱，从而得知检测目标的折射率大小以及折射率变化。
为了验证本发明的可行性，在仿真中举例说明：
本实施例中，采用SOI材料制作，中间层为二氧化硅，可以通过激光刻蚀在上下硅层进行处理，得到U型波导，
为减小传输损耗，波导高度、宽度均为200nm,直波导区域a、c、d、f长度为1um。
为减小弯曲损耗并将光场尽可能约束在区域b、e，U型区域半径为1.2μm。
为了使波导I与波导II发生临界耦合，二氧化硅层的厚度为50nm。
值得一提的是，上述各部件的参数值只是rsoft和comsol联合仿真时输入的参数，与实际最优参数有误差。
本实施例中入射端口的光为宽光谱，波长域为1162nm-1168nm，温度为300K，改变外包层的折射率(假设液体中不断加入物质a,随着物质a的浓度不断上升，液体的折射率也发生了改变)，检测端口2、3的投射谱，可以得出光谱的偏移量，根据折射率与偏移量的关系，得出溶液折射率大小和变化，进一步推知溶液浓度。
仿真结果如图3、图4。从中可知，目标物质的折射率从1.440变化到1.442，端口2的透射峰移动了1.31nm，由计算可得该传感器的灵敏度约为655nm/RIU，相比于传统微腔传感器有了显著的提升。
综上所述，本发明所设计的双U型结构的高灵敏度传感器，具有显著的研究价值和创新型，广泛适用于微纳光电器件的集成化领域。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双U型波导结构的高灵敏度传感器；其特征是：它由两根U型硅波导反扣在一起所组成，两者的弯曲部分被设计为直径一致的半圆环，两者在波导基底平面的投影组成了一个完整环形；波导高度等于200nm，宽度等于200nm，直波导a、c、d、f长度为1μm，U型区域b、e的弯曲半径为1.2μm；上下层波导之间的耦合间距，即二氧化硅层的厚度等于50nm；工作温度为300K；目标物质的折射率检测范围为1.440RIU—1.442RIU；入射光为宽谱光源，光谱范围包括1162nm-1168nm。
2.如权利要求1所述的一种双U型波导结构的高灵敏度传感器，其特征在于：所述的传感器结构中上层与下层波导的材料均为硅。
3.如权利要求1所述的一种双U型波导结构的高灵敏度传感器的外界环境折射率测量方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤一：从第一端口输入宽光谱，上下层波导相互耦合，光场在波导中发生谐振，同时倏逝波与目标材料相互作用；
步骤二：检测第二端口、第三端口的输出频谱，记录输出谐振峰的移动，其中，第二端口是指第一端口同一层波导上的另一端口，第三端口是指与第一端口位于不同层波导且在基底平面的投影上位于完整环形的同一侧的端口；
步骤三：谐振峰的移动与外界环境的折射率变化有关，由此，同时比对第二端口与第三端口的透射谱，可以得出高精度的折射率大小，监测目标物质折射率的变化。
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