基于微腔Fano共振的传感方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔等；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料等；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥，高折射率的耦合棱镜，片上集成波导等。微腔中离散的高阶回音壁模式与连续的背景光相消干涉，能够稳定、有效的产生动态变化的Fano共振谱。

Sensing method and device based on micro cavity Fano resonance

The invention provides a Fano resonance sensing device in the axisymmetric optical microcavity, including axisymmetric optical microcavity and waveguide coupling, axisymmetric cavity for column type, including a cylindrical solid cylindrical cavity, a cylindrical hollow cylindrical micro cavity, micro bubble (microbubble) solid cylindrical micro cavity. Micro bubble hollow cylindrical micro cavity, micro ring, metal coated cylindrical micro cavity; micro cavity material is silicon dioxide, polymer, optical crystal, semiconductor materials; coupling waveguide is the diameter of 0.5 ~ 1.5 micron fiber taper coupling prism, high refractive index, on chip integrated waveguide. The micro cavity discrete high-order whispering gallery mode and background light interference cancellation continuous spectrum Fano, can produce resonance dynamic stability, effective.

【技术实现步骤摘要】
基于微腔Fano共振的传感方法及装置
本专利技术涉及光学传感
，更具体的说是基于微纳结构上的Fano共振传感技术。
技术介绍
生物化学传感技术作为生命科学大学科背景下的重要方向，一直是研究的热点。目前，生物分子的检测技术以传统的分析方法即化学法为主，常常包括了一系列繁琐的操作过程，而且周期较长，远不能适应实际需求。20世纪末，科学家就开始了对专一性强、灵敏度高、操作简便的传感检测技术的研究。近年来得益于生命科学、分析化学、物理学和信息学等领域的交叉发展，基于微纳结构的生物传感器的研究成为众多学者关注的热点。Fanoresonance(FR)概念起源于量子物理领域，于1961年被意大利裔美国科学家UgoFano提出。处于离散激发态的电子和具有相同能级的连续态发生量子干涉时，会产生非对称的共振谱型，也就是以Fano命名的FR。后来，FR概念由量子物理领域引入到经典光学领域，引起了各国科学家的关注和探索。在经典光学中，连续的背景散射光和离散的共振散射光相消干涉会产生非对称的Fano共振谱型。在共振点附近，相位和幅度的急剧变化使得FR在慢光与快光，光开关，生物化学传感，非线性光学等领域具有广阔的应用前景。为此，科学家们在光子晶体，半导体系统，等离子微结构，光学微腔等各种物理结构上展开了大量研究，力求以简单的结构稳定的激发出FR谱型，并应用到相关领域。在各种微结构中，回音壁模式(whisperinggallerymode,WGM)光学微腔具有超高的品质因子(Q值)和极小的模式体积，吸引了全球众多研究小组在WGM微腔中研究FR的激发与应用。根据已经发表的文献记载，在WGM微腔中，激发FR的途径有三种。第一：高Q值模式和低Q值模式的干涉：通过直接耦合的微腔组合，间接耦合的微腔组合，亦或是单个微腔中模式干涉都可以实现FR的激发。第二：高Q值模式和混沌模式的干涉：北京大学肖云峰研究小组在《Tunneling-inducedtransparencyinachaoticmicrocavity》中利用自由空间光在变形(deformed)微腔中同时激发高Q值WGM模式和混沌模式，两者的相消干涉产生动态变化的FR；第三：动态调节微腔内增益(或损耗)或者微腔之间耦合强度。华盛顿大学的LanYang研究小组通过在WGM微腔中掺杂铒离子，利用泵浦光在微腔中产生动态增益，实现了动态FR的激发。在对FR的研究中，大多数研究小组在实验层面依旧停留在FR的激发上，精密复杂且不稳定的结构使得FR的应用存在很大的瓶颈。在生物传感领域，理论研究早已经验证基于FR的传感具有相当高的折射率灵敏度，然而在实验中，基于微腔中FR的传感研究一直很难有突破性进展。总结之下，有两个方面原因：第一，激发FR的物理结构复杂，对FR谱型的精确控制难度大；第二，综合FR的激发与应用，搭建稳定高效的传感实验平台难度大。2016年，复旦大学的徐雷课题组在《Fanoresonanceandimprovedsensingperformanceinaspectral-simplifiedOptofluidicmicro-bubbleresonatorbyintroducingselectivemodallosses》中利用微泡(microbubble)谐振腔进行光流传感实验，然而该实验提供的方法不论在原理还是应用方面都有很多值得改进的地方，其中的问题大概有如下三点，一、激发出的透射谱比较杂乱，模式难以区分；二、实验结果中所呈现的Fano共振谱形状依旧是洛伦兹型透射谱，并且不能实现动态调节；三、传感的灵敏度虽然达到48.8nm/RIU，但依旧比较低，在单分子检测，细胞计数等高要求的生物化学传感应用场景下，仍然需要进一步提高。在专利技术中，我们在国际上首次提出了一种简单、稳定激发出动态Fano共振的方法，透射谱中Fano共振模式清晰，易于识别分析，将此技术和生物化学传感相结合，可以实现超高灵敏度的折射率传感测量，并且实验装置易于集成，有利于实现商业化开发。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种与现有技术相比结构简单稳定、易封装集成的激发Fano共振谱的方法及装置，并利用此装置产生的Fano共振谱实现高灵敏度和高品质因子的传感测量。为了达到此目的，本专利技术采用如下的技术方案：基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，其特征是包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔等；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料等；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥，高折射率的耦合棱镜，片上集成波导等。装置采用细光纤锥和轴对称微腔的创新组合激发Fano共振，微腔中离散的高阶回音壁模式(Whisperinggallerymode,WGM)与连续的背景光相消干涉，能够稳定、有效的产生动态变化的Fano共振谱(Fanoresonance)。样品与Fano共振模式的相互作用，间接对Fano共振模式进行调制，产生波长频移。该传感装置集合了WGM微腔与Fano共振的优点，使得传感测量同时拥有高品质因子(Q值)和高折射率灵敏度。根据所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，当耦合波导与微腔发生耦合，离散的回音壁模式与连续的背景光相消干涉，产生的Fano共振模式与样品相互作用，实现高灵敏度和高Q值的传感。所述的连续背景光是指弱辐射模背景，低Q值的表面等离子激元模，低Q值的回音壁模式等。所述Fano共振模式由动态Fano共振谱产生，通过调节耦合波导与微腔的间距改变耦合强度，或者固定耦合波导与微腔的间距，改变耦合波导的耦合尺寸大小，用于产生Fano共振。所述的Fano共振模式中，Fano共振谱的形状可以是洛伦兹凹型透射谷，非对称的透射谱或是类似于EIT(electromagneticallyinducedtransparency)的凸形透射峰。本专利技术尤其是采用柱形微腔与细光锥耦合来激发出高Q值，可调谐的Fano共振谱。柱形微腔同时拥有局域化的回音壁模式和非局域化的辐射模，使用细光纤锥可以同时激发出这两种模式。通过控制光锥与微腔的耦合强度，辐射模的损耗相应改变，造成光锥中直接透射的背景光强度随着耦合强度发生变化，在耦合点附近，回音壁模式与背景光相消干涉，形成不同几何形状的Fano共振谱型。当待测样品与Fano光信号作用时，通过折射率的改变间接调制Fano光信号，Fano共振的波长发生变化，通过波长差的值就可以推算出折射率的变化，从而达到传感测量的目的。进一步，柱形微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体，其三维结构是直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，金属包覆柱形微腔。进一步，光锥的耦合直径D0在0.5～1.5微米之间。进一步，连续背景光是辐射模背景，表面等离子激元模，低Q值回音壁模式。进一步，耦合强度的改变可以通过调节光锥与微腔之间的间距，或者固定间距，沿着纵向移动光锥改变光锥的耦合直径。进一步，传感所用的Fano共振谱可以是非对称的线型，也可以是对称的EIT线型。进一步，样本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，其特征是包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥、高折射率的耦合棱镜或片上集成波导。

【技术特征摘要】
1.基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，其特征是包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥、高折射率的耦合棱镜或片上集成波导。2.根据权利要求1所述的一种基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是当耦合波导与微腔发生耦合，离散的回音壁模式与连续的背景光相消干涉，产生的Fano共振模式与样品相互作用，实现高灵敏度和高Q值的传感。3.根据权利要求2所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是Fano共振模式可实现动态调谐，通过调节耦合波导与微腔的间距，或者固定耦合波导与微腔的间距，改变耦合波导的耦合尺寸来完成。4.根据权利要求2或3所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传感方法，其特征是所述的Fano共振模式中，Fano共振谱的形状可以是洛伦兹凹型透射谷，非对称的透射谱或是类似于EIT(electromagneticallyinducedtransparency)的凸形透射峰。5.根据权利要求2所述的基于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋跃江，彭云冲，缪亚冬，李密，陈强，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32