CN114543873B - 一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器，包括两个跑道型亚波长光栅波导微环(传感微环)和一个跑道型普通微环(参考微环)。由单个亚波长光栅传感微环和一个参考微环组成的级联双环折射率传感器，提高了单个微环结构折射率传感器的灵敏度，并且利用游标效应有效地将折射率微小的变化转换为较大的谐振峰偏移量。本发明的折射率传感器将同等折射率变化引起的微环谐振峰偏移量放大了10倍以上，实现了折射率传感灵敏度7061nm/RIU。在级联双环结构基础上，本发明设计了由双传感环和一个参考环构成的基于游标效应的双参量传感器，首次实现了高灵敏度的折射率和温度双参量同时测量，且可以同时大幅度地提高折射率和温度传感的灵敏度。

Description

一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器
技术领域
本发明涉及微纳光学传感技术领域，具体涉及一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器。
背景技术
近年来，许多硅基集成器件被用于设计折射率传感器，如微盘谐振器、微环谐振器、光子晶体等。特别是基于SOI平台的微环谐振器，由于其插入损耗低、稳定性高、设计简单和易于制造而被广泛关注。然而，条形波导微环具有很强的限光能力，折射率传感器的灵敏度很难得到进一步提高。为了解决这一难题，研究人员针对微环波导的提出了多种优化方案。例如，超薄波导微环，光子晶体波导微环、亚波长光栅波导微环。
超薄波导微环利用降低波导厚度的方法，在光源TM偏振方向下，波导将获得更深的倏逝场穿透，可将器件的灵敏度提升到150nm/RIU。然而，在光源TE偏振方向时，该方法对器件的灵敏度的提升是失效的。光子晶体微环可同时实现空气模与介质模的折射率传感测量，但是光子晶体微环对灵敏度的提升也十分有限，仅能实现200nm/RIU灵敏度。亚波长光栅微环是基于亚波长光栅波导设计的新型微环谐振器，其波导由两种折射率不同的物质周期性排列构成。由于波导周期性的结构设计，光与分析物能有更多的接触，亚波长光栅微环折射率传感器灵敏度已能够达到400nm/RIU，并成为进一步提升微环折射率传感器更有利的选择。
虽然优化微环的波导设计可以使得微环折射率传感器的灵敏度获得数倍的提升，然而基于单一器件的折射率传感器在灵敏度上仍不能满足实际的需求，在实际应用时仍需要进行二次扩展。游标效应是一种常见的光学增敏原理，利用传感元件与参考元件对齐分度差异，将传感元件测量到外界环境的微小变化放大数倍到数十倍，使得器件整体的灵敏度有较大提升。另外，在实际应用时通常会涉及多种参量的同时测量，实现多参量同时测量是片上传感器的研究重点。因此，提升基于SOI平台的微环折射率传感器的灵敏度，并实现多参量同时测量，具有重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器，实现了高灵敏度折射率与温度双参量的同时测量。
一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器，该片上折射率与温度双参量传感器包括两个传感环、一个参考环和三条总线波导，三条总线波导分别为波导一、波导二和波导三，参考环位于波导一和波导二中间，两个传感环均位于波导二和波导三中间，单个传感环和参考环组成了级联双环折射率传感器，双传感环和参考环构成了基于游标效应的双参量传感器；
参考环位于波导一和波导二中间，光信号从波导一的左侧输入，满足谐振条件的光信号在参考环上跑道部分耦合进该参考环内，并经由该参考环下跑道部分耦合进波导二，光信号耦合进波导二后，经波导二从右向左传播，并在传感环上跑道部分耦合进传感环，传感环上均设置有传感窗口，分析物由该传感窗口注入进相应的传感环，光信号与分析物在传感环中发生相互作用，并最终在输出端得到两个尖锐的谐振峰，利用游标效应将外界环境微小的变化转换为谐振峰中心波长的偏移量，并通过两个传感环与参考环对齐分度差异，将偏移量大幅度地放大，监测出两个谐振峰中心波长的偏移量，即得到折射率和温度的变化量，从而同时实现折射率和温度的同时测量。
进一步地，所述两个传感环均为跑道型亚波长光栅波导微环，参考环为跑道型普通微环，由条形波导组成。
进一步地，所述波导一为条形波导，波导二右侧为条形波导，左侧为亚波长光栅波导，中间由渐变的拉锥波导连接。
进一步地，三条总线波导与两个用于上传下载的传感环的材质均为SOI。
进一步地，参考环和两个传感环的半径分别为5μm、8μm和8.25μm，跑道长度分别为3μm、4.5μm和4.25μm。
进一步地，所述参考环与波导一的构造相同，波导宽度均为400nm。
进一步地，所述波导三与传感环均为具有相同构造的亚波长光栅波导，亚波长光栅波导由两种折射率不同的物质周期排列组成，其中低折射率物质为分析物，其周期为250nm，占空比为0.6，波导宽度均为400nm。
进一步地，所述波导一、波导二与参考环之间的耦合间距相同，均为160nm。
进一步地，所述波导二、波导三与传感环的耦合间距相同，均为260nm。
进一步地，温度和折射率的变化量的计算公式为：
其中，ΔT,Δnc分别表示温度和折射率的变化量，分别表示第一谐振峰和第二谐振峰的温度灵敏度和折射率灵敏度，Δλ1表示在游标效应的作用下，传感环S1的中心波长偏移量被放大为第一谐振峰λpeak1与λ’peak1之间的波长差，Δλ2表示在游标效应的作用下，传感环S2的中心波长偏移量被放大为第二谐振峰λpeak2与λ’peak2之间的波长差，λ’peak1表示传感环S1的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第一谐振峰，λ’peak2表示传感环S2的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第二谐振峰。
本发明的有益效果是：
1.本发明在传感环中使用了亚波长光栅结构，增强了光与待测物质的相互作用，有利于器件灵敏度的提升。
2.本发明利用了游标效应，首先设计了级联双环折射率传感器(一个参考环，一个传感环)，参考环为传感环提供稳定的梳状透射谱，传感环将待测溶液的浓度变化转换为谐振峰的波长的偏移量，并通过传感环与参考环对齐分度差异，将偏移量进一步放大，使得传感器的灵敏度能够大幅度提升，达到了7061nm/RIU。更重要的是，在双环传感器的基础上，设计了三环传感器(两个传感环，一个参考环)。两个传感环由于结构上的差异，相同的外界环境变化，将引起各自谐振峰不同的偏移量，因此能够实现折射率和温度双参量同时测量。另外，由于两个传感环分别与参考环形成游标效应，使得传感谐振峰中心波长的偏移量被大幅度放大，因此折射率传感灵敏度与温度传感灵敏度均能大幅度提升，首次实现高灵敏度双参量测量。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为单个跑道型亚波长光栅微环的结构示意图。
图2为基于游标效应的级联双环折射率传感器的平面结构图。
图3为基于游标效应的双环折射率传感器的测量原理图。
图4为亚波长光栅微环折射率传感器在不同浓度溶液中的透射谱。
图5为亚波长光栅微环折射率传感器谐振波长随折射率变化的曲线。
图6为级联双环折射率传感器在不同浓度溶液中的透射谱。
图7为级联双环折射率传感器谐振波长随折射率变化的曲线。
图8为片上折射率与温度双参量传感器的结构示意图。
图9为多参量测量的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
本实施例公开了一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器，如图1和图2所示，图1为一种亚波长光栅波导微环的结构示意图，图2为一种基于游标效应的级联双环折射率传感器的平面结构图，级联双环折射率传感器由传感环S1(即传感环一)和参考环以及三条总线波导组成，三条总线波导分别为波导1(即波导一)、波导2(即波导二)和波导3(即波导三)，所述参考环由普通条形波导组成，弯曲部分和跑道部分的波导宽度、高度均相同。所述传感环为跑道型亚波长光栅波导微环，传感环弯曲部分与跑道部分均由亚波长光栅波导组成，且传感环和参考环的波导宽度相同。所述波导1为条形波导；波导2右半部分为条形波导，左半部分为亚波长光栅波导，中间由拉锥渐变结构连接，可减少耦合损耗；波导3为与传感环为具有相同构造的亚波长光栅波导。本实施例中使用的亚波长光栅波导由两种折射率不同的物质周期排列组成，其中低折射率物质为分析物。本实施例中首先对亚波长光栅波导微环结构进行了优化，优化后的亚波长光栅波导微环的周期、占空比、波导宽度等参数分别为250nm、0.6和400nm。以此提高了单个传感环结构折射率传感器的灵敏度，然后利用游标效应可以将外界环境微小的变化转换为谐振峰中心波长的偏移量，并通过传感环与参考环对齐分度差异，将偏移量大幅度地放大。相较于传统条形波导，光不仅分布在波导顶部和侧面，同时分布在传播路径上的硅柱之间，使得光与待测物质的重叠增大，因此，亚波长光栅波导可有效增大分析物与光的接触，更有利于器件灵敏度的提高。
本实施例中，参考环位于波导1和波导2中间，左右弯曲部分均为180度半圆弧，弯曲半径为R，跑道长度为Lc。光信号从波导1的左侧输入，满足谐振条件的光信号在参考环上跑道部分耦合进该参考环，并经由下跑道部分耦合进波导2。
光信号耦合进波导2后，经波导2从右向左传播，并在传感环S1上跑道部分耦合进传感环S1。在该传感环S1上设置了传感窗口，分析物由传感窗口注入到器件中。光信号与分析物在传感环S1中发生相互作用，经波导3输出，并最终在输出端可得到一个尖锐的谐振峰。当分析物具有不同的浓度时，谐振峰的中心波长将发生偏移。
图3是级联双环折射率传感器的测量原理图，在级联双环折射率传感器的基础上，设计由双传感环、参考环以及三条总线波导构成的基于游标效应的双参量传感器，首次实现了高灵敏度的折射率和温度双参量同时测量。由于每个传感微环都利用了游标效应，所以可以同时提高折射率和温度的灵敏度。因此，本发明基于游标效应的双参量传感器，不仅可以同时实现双参量测量，并且借助于游标效应的放大作用，极大地提高双参量测量的灵敏度。
对于单个传感环的折射率传感器的灵敏度Sb通常表现为谐振峰中心波长的偏移量Δλres与分析物折射率变化量Δnc的比值，即可用公式(1)表示：
其中，是波导有效折射率的变化与分析物折射率的变化之比，这取决于传感环的结构，λres为谐振峰中心波长。neff为波导有效折射率，为：
此处，Δneff表示分析物包层折射率变化Δnc时，波导有效折射率变化量；neff0为波导初始状态下的有效折射率。
本发明中参考环与传感环具有相近的自由光谱范围，即有参考环自由光谱范围FSRr略大于传感环自由光谱范围FSRs。如图3所示，当Δnc＝0时，传感环的第一个谐振峰λS(i)与参考环的第一个谐振峰λR(j)重叠，因此在波导3的输出端可测得一个明显的谐振峰λDr(k)。当Δnc＝0.0025时，传感环的谐振峰中心波长偏移了ΔλS，因此传感环第二谐振峰λS(i+1)与参考环第二谐振峰λR(j+1)重叠，使得输出端可测得谐振峰为λDr(k+1)。当Δnc＝0.005,0.0075时，传感环谐振峰发生同样的偏移，因此可得到：
ΔλDr＝Δλs+FSRS＝FSRR (3)
此时，包层折射率变换量被转换为波导有效折射率变化量，即：
整理上述各式可得级联双环折射率传感器的灵敏度SDr：
其中，为放大系数，Sb是单个亚波长光栅微环的灵敏度。
为验证本发明的性能，利用时域有限差分方法对本发明进行了仿真验证。本实施例中将分析物设定为不同浓度的葡萄糖溶液，其中当葡萄糖溶液浓度为0时，溶液为去离子水，此时折射率为1.333，当溶液溶度以2g/100ml递增时，折射率以0.0025递增。首先对本实施例中所示的亚波长光栅微环折射率传感器进行了灵敏度验证。
图4为单亚波长光栅波导微环在不同浓度葡萄糖溶液中的透射谱。在去离子水中，亚波长光栅微环的谐振峰中心波长为1560.6nm，随着溶液葡萄糖浓度的增大，谐振峰中心波长向右发生偏移，依次为1562.31nm、1564.01nm、1567.42nm。
图5为亚波长光栅微环谐振波长随折射率变化的曲线。根据灵敏度计算公式可以计算得到亚波长光栅微环折射率传感器的灵敏度为682nm/RIU。
图6为级联双环折射率传感器在不同浓度葡萄糖溶液中的仿真透射谱。当葡萄糖溶液浓度为0时，溶液为去离子水，此时分析物包层折射率为1.333，Δnc＝0，输出端透射谱的谐振峰中心波长为1493.73nm；当Δnc＝0.0025,0.005,0.0075时，谐振峰中心波长分别为1511.03nm、1529.9nm、1546.69nm。
图7为级联双环折射率传感器谐振中心波长随折射率变化的曲线。根据级联双环折射率传感器灵敏度计算公式，可计算得到该器件在液体中的灵敏度为7061nm/RIU。
图8为多参量测量片上传感器结构示意图。为实现多参量测量的目的，在传感部分增加了传感环S2(即传感环2)。采用跟上述相同的原理，传感环S1和S2上均设置有传感窗口，分析物由该传感窗口分别注入进相应的传感环S1和S2，光信号与分析物在传感环S1和S2中发生相互作用，并最终在输出端得到两个尖锐的谐振峰，利用游标效应将外界环境微小的变化转换为谐振峰中心波长的偏移量，并通过两个传感环与参考环对齐分度差异，将偏移量大幅度地放大，折射率和温度变化将引起总透射谱中的第一谐振峰和第二谐振峰的中心波长发生不同程度的偏移。通过监测两个谐振峰中心波长的偏移量即可得到折射率和温度的变化量，从而同时实现折射率和温度的同时测量。
图9为多参量测量的原理图。具体的多参量测量原理如下所述：
当同时进行折射率和温度测量时，所述双参量传感器透射谱中两个传感环的谐振峰位移可由式(6)计算得到：
其中，λ1,2是谐振峰的中心波长，ng是波导的群折射率，α为波导材料的热膨胀系数，ΔT,Δnc分别为温度变化量和溶液浓度变化引起的包层溶液折射率变化量。neff1,2为波导的有效折射率，是波导有效折射率的变化与温度变化之比，/>是波导有效折射率的变化与分析物折射率的变化之比。
在初始状态下，参考环的一个谐振峰与传感环S1的谐振峰重叠，在总的透射谱中会形成第一谐振峰λpeak1；同理，参考环的另一个谐振峰与传感环S2的谐振峰重叠，形成了第二谐振峰λpeak2。
当温度和折射率分别改变ΔT,Δnc后，传感环S1的谐振峰发生偏移，偏移量为ΔλS1，并与参考环其余谐振峰重叠，形成新的第一谐振峰λ’peak1。由于传感环S1与参考环级联产生游标效应，传感环S1的中心波长偏移量被放大为第一谐振峰λpeak1与λ’peak1之间的波长差Δλ1。同理，在游标效应的作用下，传感环S2的中心波长偏移量被放大为第二谐振峰λpeak2与λ’peak2之间的波长差Δλ2。
测量时，两个谐振峰中心波长的偏移量可用式(7)、(8)表示：
即：
整理式(9)，可得：
其中，分别代表第一谐振峰和第二谐振峰的温度灵敏度和折射率灵敏度。/>与器件的固有属性有关，可通过控制单一参量的变化测量得到。因此，通过检测第一谐振峰和第二谐振峰中心波长的变化，可同时实现折射率和温度变化量的测量。
在三环传感器结构中，由于两传感环的结构差异，导致两个传感环谐振峰与参考环的不同谐振峰对齐，在总的透射谱中将产生两个不同的重合谐振峰。另外，相同的外界环境变化(折射率和温度)将引起两个传感环谐振峰产生不同的偏移，而且这种偏移由于传感环与参考环级联产生的游标效应而被放大，从而首次实现高灵敏度折射率和温度双参量传感。
综上所述，本发明基于游标效应，利用普通微环与亚波长光栅微环级联的结构设计，将分析物包层折射率变化和温度变化转化为容易测量的谐振峰中心波长变化，实现了一种高灵敏度折射率传感器，并通过引入双传感环设计，首次实现了高灵敏度折射率和温度双参量同时测量。
以上是本发明的技术原理以及仿真结果，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器，其特征在于：该片上折射率与温度双参量传感器包括两个传感环、一个参考环和三条总线波导，三条总线波导分别为波导一、波导二和波导三，参考环位于波导一和波导二中间，两个传感环均位于波导二和波导三中间，单个传感环和参考环组成了级联双环折射率传感器，双传感环和参考环构成了基于游标效应的双参量传感器；
参考环位于波导一和波导二中间，光信号从波导一的左侧输入，满足谐振条件的光信号在参考环上跑道部分耦合进该参考环内，并经由该参考环下跑道部分耦合进波导二，光信号耦合进波导二后，经波导二从右向左传播，并在传感环上跑道部分耦合进传感环，传感环上均设置有传感窗口，分析物由该传感窗口注入进相应的传感环，光信号与分析物在传感环中发生相互作用，并最终在输出端得到两个尖锐的谐振峰，利用游标效应将外界环境微小的变化转换为谐振峰中心波长的偏移量，并通过两个传感环与参考环对齐分度差异，将偏移量大幅度地放大，监测出两个谐振峰中心波长的偏移量，即得到折射率和温度的变化量，从而同时实现折射率和温度的同时测量；
所述两个传感环均为跑道型亚波长光栅波导微环，参考环为跑道型普通微环，由条形波导组成；
所述波导一为条形波导，波导二右侧为条形波导，左侧为亚波长光栅波导，中间由渐变的拉锥波导连接；
参考环和两个传感环的半径分别为5μm、8μm和8.25μm，跑道长度分别为3μm、4.5μm和4.25μm；
所述参考环与波导一的构造相同，波导宽度均为400nm；
所述波导三与传感环均为具有相同构造的亚波长光栅波导，亚波长光栅波导由两种折射率不同的物质周期排列组成，其中低折射率物质为分析物，其周期为250nm，占空比为0.6，波导宽度均为400nm；
所述波导一、波导二与参考环之间的耦合间距相同，均为160nm；
所述波导二、波导三与传感环的耦合间距相同，均为260nm；
当同时进行折射率和温度测量时，所述双参量传感器透射谱中两个传感环的谐振峰位移可由下式计算得到：
其中，λ1,2是谐振峰的中心波长，ng是波导的群折射率，α为波导材料的热膨胀系数，ΔT,Δnc分别为温度变化量和溶液浓度变化引起的包层溶液折射率变化量，neff1,2为波导的有效折射率，是波导有效折射率的变化与温度变化之比，/>是波导有效折射率的变化与分析物折射率的变化之比；
温度和折射率的变化量的计算公式为：
其中，ΔT,Δnc分别表示温度和折射率的变化量，分别表示第一谐振峰和第二谐振峰的温度灵敏度和折射率灵敏度，Δλ1表示在游标效应的作用下，传感环S1的中心波长偏移量被放大为第一谐振峰λpeak1与λ’peak1之间的波长差，Δλ2表示在游标效应的作用下，传感环S2的中心波长偏移量被放大为第二谐振峰λpeak2与λ’peak2之间的波长差，λ’peak1表示传感环S1的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第一谐振峰，λ’peak2表示传感环S2的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第二谐振峰；在初始状态下，参考环的一个谐振峰与传感环S1的谐振峰重叠，在总的透射谱中会形成第一谐振峰λpeak1；同理，参考环的另一个谐振峰与传感环S2的谐振峰重叠，形成了第二谐振峰λpeak2。
2.根据权利要求1所述片上折射率与温度双参量传感器，其特征在于，三条总线波导与两个用于上传下载的传感环的材质均为SOI。
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