CN114034649A - 一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器 - Google Patents

一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器，其特征在于，包括：上传端和下载端，所述上传端和下载端均为直狭缝波导；第一微环波导，所述第一微环波导设置在所述上传端和下载端之间，所述第一微环波导为环形狭缝波导；及与所述第一微环波导串联的第二微环波导，所述第二微环波导设置在所述第一微环波导的底部与所述下载端之间，所述第二微环波导为环形狭缝波导；其中，所述第一微环波导和第二微环波导的半径不等，所述上传端与所述第一微环波导的顶部之间设置有第一耦合间距，所述第二微环波导的底部与所述下载端之间设置有第二耦合间距，所述第一微环波导的底部与所述第二微环波导的顶部之间设置有第三耦合间距。

Description

一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器
技术领域
本申请涉及光生化传感领域，尤其涉及一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器。
背景技术
在各种传感器中，硅基光学传感器具有节能环保、微型化、易集成、响应速度快、抗干扰能力等优点使其已经覆盖了生化传感器的诸多领域，成为生化传感器件重要组成部分。硅基光学传感器在智慧农业大棚数据采集、医疗诊断和治疗、食品安全和空气水质检测等方面发挥了巨大作用。
常用的光学传感元件为等离子体波导、光栅波导和微环谐振器，这三者比较而言，等离子波导的灵敏度高；光栅传感器测量范围较宽；微环谐振器尺寸较小，所需被测物的量较少，易于形成传感阵列。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
等离子体波导由于等离子体中金属结构有较大的吸收损耗，使得器件传输损耗较大，与传统的半导体加工工艺上也不兼容；光栅传感器尺寸偏大；而微环谐振器由于受到自由光谱区的限制只适合探测中低浓度的溶液和气体，而高浓度的溶液会超出其探测范围。此外，普通的硅基微环传感器难以获得高灵敏度的效果。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器，以解决相关技术中存在的光学生化传感器无法兼具高灵敏度和宽波长探测范围的技术问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器，包括：
上传端和下载端，所述上传端和下载端均为直狭缝波导；
第一微环波导，所述第一微环波导设置在所述上传端和下载端之间，所述第一微环波导为环形狭缝波导；及
与所述第一微环波导串联的第二微环波导，所述第二微环波导设置在所述第一微环波导的底部与所述下载端之间，所述第二微环波导为环形狭缝波导；
其中，所述第一微环波导和第二微环波导的半径不等，所述上传端与所述第一微环波导的顶部之间设置有第一耦合间距，所述第二微环波导的底部与所述下载端之间设置有第二耦合间距，所述第一微环波导的底部与所述第二微环波导的顶部之间设置有第三耦合间距。
进一步地，所述第一微环波导的半径为m，所述第二微环波导的半径为n，m≠t×n且n≠t×m，其中，t为正整数。
进一步地，所述第一微环波导和第二微环波导的谐振波长在宽谱范围内存在相同的谐振波长。
进一步地，所述上传端、下载端和微环波导的结构均为刻蚀掉二氧化硅上包层的狭缝波导结构。
进一步地，所述上传端、下载端和微环波导的波导宽度为200-400nm。
进一步地，所述上传端、下载端和微环波导的狭缝宽度为50-100nm。
进一步地，所述第一耦合间距为100-200nm。
进一步地，所述第二耦合间距为100-200nm。
进一步地，所述第三耦合间距为200-400nm。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请在上传端和下载端之间设置了串联的第一微环波导和第二微环波导，使得下载端的输出光谱的谐振波长因本申请利用了游标卡尺的原理而得到放大，使得器件灵敏度大大提高，有效增大了器件的自由光谱区，扩展了测试范围，实现了对高浓度溶液的检测；本申请中的上传端、下载端、第一微环波导和第二微环波导均采用了狭缝波导的设计方式，光场会在狭缝中增强，增加光场与外界环境的交互，进一步增大传感灵敏度；且本申请所述的光学生化传感器结构紧凑，尺寸较小。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1根据一示例性实施例示出的一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器结构示意图。
图2根据一示例性实施例示出的基于狭缝波导结构的TE模式光场仿真图。
图3根据一示例性实施例示出的上下微环仿真光谱图。
图4根据一示例性实施例示出的改变上包层液体折射率后生化传感器仿真光谱图的偏移。
图5根据一示例性实施例示出的基于狭缝波导结构的光学生化传感器测试系统图。
图中的附图标记包括：
101、第一微环波导；102、第二微环波导；103、上传端；104、下载端。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器结构示意图，如图1所示，该传感器可以包括上传端103、下载端104、第一微环波导101及与所述第一微环波导101串联的第二微环波导102，所述上传端103和下载端104均为直狭缝波导；所述第一微环波导101设置在所述上传端103和下载端104之间，所述第一微环波导101为环形狭缝波导；所述第二微环波导102设置在所述第一微环波导101的底部与所述下载端104之间，所述第二微环波导102为环形狭缝波导；其中，所述第一微环波导101和第二微环波导102的半径不等，所述上传端103与所述第一微环波导101的顶部之间设置有第一耦合间距，所述第二微环波导102的底部与所述下载端104之间设置有第二耦合间距，所述第一微环波导101的底部与所述第二微环波导102的顶部之间设置有第三耦合间距。
由上述实施例可知，本申请采用了狭缝波导的设计方式，光场会在狭缝中增强，增加光场与外界环境的交互，较大地增大传感灵敏度；采用了游标卡尺的微环结构，有效增大了器件的自由光谱区，扩展了测试范围，实现了对高浓度溶液的检测；并且，基于微环谐振器的结构紧凑，使得本光学生化传感器的尺寸较小。
具体地，该光学生化传感器所有的波导制作材料为SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)，且所有的波导宽度和狭缝宽度均相等，在一实施例中，所有波导的下包层均为二氧化硅，芯层为硅材料，波导的高度为220nm。采用SOI结构明显减小波导尺寸，设计的波导高度220nm为SOI波导普适尺寸。
具体地，所述第一微环波导101的半径为m，所述第二微环波导102的半径为n，m≠t×n且n≠t×m，其中，t为正整数，在一实施例中，所述第一微环波导101的半径为7.5μm，所述第二微环波导102的半径为9.5μm。采用上述尺寸的微环兼顾了微环弯曲损耗小和自由光谱区域大的优势。
具体地，所述两个微环波导的谐振波长在宽谱范围内存在相同的谐振波长，使得级联后的器件自由光谱区范围在50nm以上。
具体地，所述上传端103、下载端104和微环波导的结构均为刻蚀掉二氧化硅上包层的狭缝波导结构。该结构对上包层液体折射率变化敏感，使下载波长随液体折射率更快的变化，从而能够提高检测的最小分辨率。
具体地，所述上传端103、下载端104和微环波导的波导宽度为200-400nm，该尺寸使光功率尽可能多的束缚在狭缝波导中。
具体地，所述上传端103、下载端104和微环波导的狭缝宽度为50-100nm。该尺寸使光功率尽可能多的束缚在狭缝波导中，且狭缝尺寸不至于过小，使器件难以制备。
具体地，所述第一耦合间距为100-200nm。若间距过大，使得耦合进入第一微环波导101的光功率较小；若间距过小，则微环与波导间耦合系数过大，基本所有波长的光信号都进入到微环波导中，没有滤波的效果。
具体地，所述第二耦合间距为100-200nm。若间距过大，使得耦合进入下载端104波导的光功率较小；若间距过小，则微环与波导间耦合系数过大，基本所有波长的光信号都进入到下载波导中，没有滤波的效果。
具体地，所述第三耦合间距为200-400nm。若间距过大，使得耦合进入第二微环波导102的光功率较小，进而影响下载端104性能；若间距过小，则微环间耦合系数较大，出现过耦合，下载的反射端出现谱线凹陷，插入损耗较大。
需要说明的是，以上仅分别给出一种第一耦合间距、第二耦合间距及第三耦合间距的范围的示例，具体范围可根据实际情况自行设定，该设定为本领域常规手段。
具体地，所述的微环波导滤波得到的下载端104谱线，探测的波长范围为1190-1250nm，上包层液体折射率范围可为1.333-1.403。
具体地，狭缝波导的光场模式可近似通过平板波导模式求解。二维狭缝波导中，a为狭缝宽度的一半,b-a为波导宽度，狭缝的横坐标|x|＜a,高折射率区横坐标a＜|x|＜b，包层区域为|x|＞a，nRS、nRH和nRC分别为狭缝、高折射率区和包层处的折射率，对应的相对介电常数分别为εRS、εRH和εRC。该波导由五个区域组成，所有区域的介电常数如公式(1)给出：
Figure BDA0003314499320000061
光场模式的有效折射率为
Figure BDA0003314499320000062
其中β为传播常数，λ为仿真的波长。
光场模式的特征方程如公式(2)所示：
Figure BDA0003314499320000063
其中，中间变量γs、γH和γC的表达式如公式(3)所示：
Figure BDA0003314499320000064
其中，k0为上传端103与第一微环波导101间耦合系数，x为器件沿x轴方向的位置。
最终可得到TE模式狭缝波导的电场Ex表达式如公式(4)所示
Figure BDA0003314499320000071
其中，ω为光的角频率，c为在真空中的光速，ε0为真空介电常数。
由以上表达式即可得到狭缝波导的有效折射率和对应的截面电场，如图2所示，说明该器件能够很好地束缚光场，使得器件的损耗较小。该狭缝波导的有效折射率低于普通的SOI波导，使其对外界环境的变化更为敏感，适宜作为生化传感器的应用。
具体地，所述下载端104输出光谱可由以下方法得出：
从上传信道输入的光信号振幅为a0，上传端103输出的光信号振幅b0，下载端104振幅为a3’；下载端104输出光谱TD(λ)如公式(5)所示：
Figure BDA0003314499320000072
其中，j为虚数单位，中间变量ψ＝L(β-jα)，L为直波导长度，α为损耗系数且单位为dB/cm。
为了求解输出光谱TD(λ)的表达式，需要从相邻微环间递推公式开始解释。微环相邻级间的振幅如公式(6)和公式(7)所示：
Figure BDA0003314499320000073
Figure BDA0003314499320000074
其中，ai为第i个截面的输入振幅，bi为第i个截面的输出振幅，k1为第一微环波导101与第二微环波导102间耦合系数，k2为第二微环波导102与下载端104间耦合系数，P1为两个微环波导间振幅传输矩阵，P2为第二微环波导102和下载端104之间的振幅传输矩阵，φi＝πRi(β-jα)(i＝1,2)，Ri为第i个微环半径，第i个微环振幅透射比率
Figure BDA0003314499320000081
上传端103与第一微环波导101的耦合由下式(8)给出：
Figure BDA0003314499320000082
则公式(5)中的ψ和P22可以经公式(6)-(8)处理得到：
Figure BDA0003314499320000083
最终得到所述光学生化传感器的FSR(Free Spectral Range,自由光谱范围)与第一微环波导101的自由光谱范围FSR1和第二微环波导102的自由光谱范围FSR2关系如公式(10)所示：
Figure BDA0003314499320000084
从而增大了器件的自由光谱范围，有效地实现了宽折射率变化范围的传感检测。
图3是该传感器在折射率为1.333时，在选取的测试波长范围为1190-1250nm时上下微环滤波谱线。第一微环波导101FSR1约为13.74nm，第二微环波导102FSR2约为11.11nm，这两个微环在波长间隔约53.44nm时便有相同的谐振波长，即该所述光学生化传感器的FSR约为53.44nm。器件的波长移动传感灵敏度定义为S＝Δλ/Δn，选取的测试波长范围为1190-1250nm时，此波段对应的微环器件损耗较低。图4为该传感器在上包层折射率变化时下载端104的反射谱线。在折射率为1.333-1.343时，S值为435.5nm/RIU；折射率为1.343-1.363时，S值为742.6nm/RIU；折射率为1.363-1.403时，S值为683.5nm/RIU。体现了在生化物质检测方面的潜在应用。
如图5所示，本申请所述的一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器的工作过程包括：
宽谱激光器产生的光通过光纤进行传输，经偏振控制器后，输入光纤与测试光器件的上传端103对准，输出光纤与传感器的下载端104对准。输入光纤先耦合进入到传感器的上传端103，然后通过上传端103与第一微环波导101间的第一耦合区耦合至第一微环波导101中，再通过第一微环波导101与第二微环波导102间的第三耦合区耦合到第二微环波导102中，最后经第二微环波导102与下载端104间的第二耦合区耦合至下载端104，下载端104的光功率通过输出光纤耦合。将输出光纤接入到功率分离器中，将10％光功率输入到光功率计中，90％光功率输入到光谱仪中。微调输入光纤和输出光纤位置，使光功率计的插入损耗最小，此时即为最合适的光纤位置。然后在光器件上滴加液体，记录光谱仪的反射谱线，即为测试的光谱。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器，其特征在于，包括：
上传端和下载端，所述上传端和下载端均为直狭缝波导；
第一微环波导，所述第一微环波导设置在所述上传端和下载端之间，所述第一微环波导为环形狭缝波导；及
与所述第一微环波导串联的第二微环波导，所述第二微环波导设置在所述第一微环波导的底部与所述下载端之间，所述第二微环波导为环形狭缝波导；
其中，所述第一微环波导和第二微环波导的半径不等，所述上传端与所述第一微环波导的顶部之间设置有第一耦合间距，所述第二微环波导的底部与所述下载端之间设置有第二耦合间距，所述第一微环波导的底部与所述第二微环波导的顶部之间设置有第三耦合间距。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一微环波导的半径为m，所述第二微环波导的半径为n，m≠t×n且n≠t×m，其中，t为正整数。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一微环波导和第二微环波导的谐振波长在宽谱范围内存在相同的谐振波长。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上传端、下载端和微环波导的结构均为刻蚀掉二氧化硅上包层的狭缝波导结构。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上传端、下载端和微环波导的波导宽度为200-400nm。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上传端、下载端和微环波导的狭缝宽度为50-100nm。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一耦合间距为100-200nm。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二耦合间距为100-200nm。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第三耦合间距为200-400nm。
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