一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统，包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。本发明专利技术还提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法。本发明专利技术的有益效果是：波导与微腔直接相连，对制备精度要求不高，用光刻即可实现，有效降低了成本，并且，耦合效率较高，同时适用于多种半导体材料。

A high efficiency and low cost microcavity coupling system and its preparation method

The invention provides a high efficiency and low cost microcavity coupling system, including a waveguide and a microcavity, the waveguide is directly connected with the microcavity, and the optical signal enters the microcavity directly through the waveguide to excite a resonant mode. The invention also provides a method for preparing a microcavity coupling system with high efficiency and low cost. The invention has the advantages that the waveguide is directly connected with the microcavity, the preparation precision is not required high, and can be realized by lithography, the cost is effectively reduced, and the coupling efficiency is high, and the waveguide is suitable for a variety of semiconductor materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法
本专利技术涉及微腔耦合系统，尤其涉及一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法。
技术介绍
以回音壁模式（WGM）工作的光学微腔，凭借其高品质因数，较小的模体积，且制备较为简单等优势，在近些年受到了广泛关注。基于光学微腔研发的器件已在基础科学研究和光电技术研发领域发挥了不可替代的作用。然而，在片上器件与光学系统之间实现充分有效地信息交换仍是一大难点，时下常见的耦合方式则仍存在着各自的弊端。目前国内外研究的光学微腔的主要形式有微球，微芯环，微盘和微环等。微球谐振腔的体积一般比较大，可以达到较高的品质因子(Q值)，约为，因此通常被用来制作生物传感器，以提高其检测灵敏度和分辨率，已广泛地应用于病毒、蛋白分子、DNA等生物分析物的检测。微芯环腔的品质因子也比较高，其在很多领域都得到了大量的研究，包括量子信息，非线性光学，微光机电和光通信等。采用受激布里渊激光结合传统半导体工艺的技术，已实现对微腔大小的精准控制，并且将谐振腔的Q值提高到。微盘谐振腔在上个世纪90年代就开始被用来制作激光器，凭借其低阈值的特性，已在该领域具有巨大的优势。利用飞秒激光微加工和热回流过程制备的微盘谐振腔Q值可达到，该工艺不仅为在多种材料和多种尺寸上的微腔加工提供了可行性，同时降低了加工过程产生的谐振腔表面粗糙度。微盘腔可与微加工工艺兼容，从而可实现批量化的生产。对于如微腔传感及光学调制等方面的应用而言，较高的耦合效率无疑是关键。现有的方式中已证明有足够高效的耦合方法。如能满足较为严苛的耦合条件，如利用棱镜或拉锥光纤耦合的机制可获得高达99.9%的耦合效率。另一种方式是利用时间反演过程可以通过自由空间中的汇聚光激发出微腔中的回音壁模式，这一方式即为空间光耦合。此过程对光束位置的控制不作精确的要求，耦合效率相对不高，约为30%，现已在生物传感器和激光泵浦等方面得到应用。在实际应用中，利用倏逝波耦合的方法需要微腔与入射波导的有效折射率相近，保证相位匹配条件。微球腔通常采用基于拉锥光纤的耦合方法，但需要对微球和光纤的相对位置做到精确控制，以满足较为严苛的耦合条件。实际应用中耦合系统可能对外界环境扰动较为敏感，不适于在条件复杂的测量环境件下进行实时监测。对于片上波导耦合系统而言，其间距一般控制在两百个纳米以内，制备精度较高，用传统光刻方法难以实现，采用电子束曝光则大大增加了成本，限制了其商用化。如果在垂直方向上进行耦合，则需要精确控制波导和微腔之间的交叠。相较于倏逝波耦合的方法，利用自由空间会聚光耦合的效率相对较低，且必须在显微镜下进行操作，尤其是对尺寸位于波长量级的微腔而言。因此，如何提供一种高效率、低成本的微腔耦合系统是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中倏逝波耦合中存在的问题，本专利技术提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统及其制备方法。本专利技术提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统，包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。作为本专利技术的进一步改进，所述波导与所述微腔为端面直接耦合。作为本专利技术的进一步改进，所述微腔为圆形。本专利技术还提供了一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法，采用SOI并依次通过曝光和刻蚀制备出微腔和与其直接相连的波导。本专利技术的有益效果是：通过上述方案，波导与微腔直接相连，对制备精度要求不高，用光刻即可实现，有效降低了成本，并且，耦合效率较高，同时适用于多种半导体材料。附图说明图1是本专利技术一种高效率、低成本的微腔耦合系统的结构示意图。图2是本专利技术一种高效率、低成本的微腔耦合系统的端面耦合的远场出射仿真结果示意图。图3是不同波长下的远场出射归一化透射谱以及相应点的场分布图。图4是带有Y型分束器的微腔与波导相连的结构示意图。图5是半径为的微腔归一化反射率图。图6是微腔半径为时实验得到的反射信号图。图7是不同波导宽度时的端面耦合效率及Q值以及不同材料折射率条件下的端面耦合效率图。图8是端面耦合的微腔表面附着待测高分子聚合物颗粒以及待测高分子聚合物颗粒附着前后的反射谱对比图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种高效率、低成本的微腔耦合系统，主要由两部分构成：波导2和微腔1。与传统倏逝波耦合方式不同，本系统中，所述波导2与所述微腔1直接相连，在连接波导2中输入光信号后直接进入微腔1中激发出谐振模式，因此不用考虑波导与微腔1的相位匹配。在实际制备中，由于波导2和微腔1尺寸往往在500nm以上，同时不用考虑波导2和微腔1的间距，所以这种结构可以使用传统的光刻方法制备，大大降低了制备成本，方便大规模批量生产和集成应用。一种高效率、低成本的微腔耦合系统的制备方法，采用SOI（Silicon-on-insulator）并依次通过曝光和刻蚀制备出微腔2和与其直接相连的波导1，微腔1由片上微盘构成，SOI即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。一段范围波长的光由波导一端入射，满足一定条件时在微腔1中相干增强并形成稳定的传输模式，即发生谐振。此时光在微腔1中循环往复，能量可以有效地限制在微腔1内。对于一个给定的谐振腔，能够存在很多谐振模式，可以用模式数M表示。谐振条件可以表示为：，其中谐振波长，是模式有效折射率和模式半径的函数，，是谐振腔半径。对于一个特定的模式（即M为定值），和的改变都会引起谐振波长的变化。考虑到腔外介质与谐振模式的相互作用，当环境条件变化时，谐振腔及其周围介质中的能量分布即会发生改变。利用谐振腔的这一特点，可以将其利用于生化传感领域。Q值是光学模式中的一个基本物理量，用来描述谐振腔储存光能量的效率以及腔内谐振模式的强度，可以用谐振波长与其对应的半高宽之比表示。具有高Q的光学模式谱线较锐利，有利于在传感应用中分辨出谐振波长的移动，相应地提高传感器的灵敏度。在圆对称的光学回音壁模式微腔中，光学模场受到界面上的全反射限制，光只能沿其切线方向通过倏逝波在平面内各向同性出射。圆形的微腔1加入直接相连的波导2后，原有的对称性被破坏。如图2所示，根据有限元仿真软件COMSOLMultiphysics计算得到远场强度，在该模式下微腔1中传播的光绝大部分沿波导2方向输出，可以实现良好的方向性出射。类似地，利用仿真结果给出了一系列不同入射波长条件下的远场出射光归一化透射谱，如图3（a）所示，计算位置为图3（c）中虚线标记处，在图3中，（a）为不同波长下的远场出射归一化透射谱，（b）（c）为对应于（a）中相应点的场分布。仿真计算中波导2的宽度w设置为，R为圆形微腔1的半径，传播模式为TM（transversemagnetic）偏振，材料色散已被忽略。kR表示归一化波长，其中k=2π/λ。根据计算结果，远场透射率多集中在0.5附近，对应的场分布图样如图3（c），此时大部分光能通过介质散失，仅有少部分光能够有效局域在微腔1中；在kR～5.187附近，透射率则锐减到接近0，图3（b）为这一点对应的场分布。据此可以看出光通过波导2耦合进入并充分限制在了微腔1中。值得注意的是，包括基模在内的很多其他模式也可以通过微腔1的端面耦合激发出来。为探究端面耦合方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。

【技术特征摘要】
1.一种高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：包括波导和微腔，所述波导与所述微腔直接相连，光信号经所述波导直接进入所述微腔中激发出谐振模式。2.根据权利要求1所述的高效率、低成本的微腔耦合系统，其特征在于：所述波导与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋清海，刘帅，张靖，肖淑敏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44