基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器制造技术

本发明专利技术提出了一种基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，自下而上依次由层叠的硅衬底层、二氧化硅下包层、单晶硅芯层、二氧化硅上包层构成，所述的单晶硅芯层中的第一直波导的输出与第一U型波导的输入相连，第一U型波导的输出与第二直波导的输入相连，第二直波导的输出与第二U型波导的输入相连，第二U型波导的输出与第三直波导的输入相连；第一微环谐振腔位于第一U型波导内侧的第一直波导与第二直波导之间，第二微环谐振腔位于第二U型波导内侧的第二直波导与第三直波导之间。与同尺寸级联微环型传感器相比，所述结构能够在提高传感灵敏度的基础上，将传感检测范围提高一倍。具有灵敏度高，传感范围大，利于片上集成等优点。

Silicon based refractive index sensor based on cascaded U-shaped waveguide embedded microring

【技术实现步骤摘要】
基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器
本专利技术涉及对气体分子、生物分子等特定的化学或生物物质的传感检测技术，属于光传感及光集成

技术介绍
光学传感主要分为标记型传感与免标记型传感两种类型。标记型传感器在对待测物质进行检测前需要一定处理来对其进行标记，例如加入特定荧光物质或放射性同位素等，然后通过检测标记物以得到被标记的待测物质的相应信息，但是该方法存在测试步骤复杂、设备昂贵等缺点，并且还会存在对待测物造成破坏的风险，而免标记型传感器可以省去标记待测物等繁琐步骤，在各行业中受到越来越多的关注与需求。例如光纤传感器作为一种免标记型传感器，结构简单，现有的制作工艺成熟，检测步骤简单，并且具有耐高温高压、抗电磁干扰能力强的高环境适应性。但是光纤型传感器的尺寸较大，不利于传感器件的小型集成化，随着科技的发展，集成光学的兴起使得小型化高灵敏度免标记传感器成为现实。集成光学是光通信、光传感领域的重要发展方向，而硅是最有可能实现大规模集成的材料，所以硅基光学器件在集成光学中具有十分重要的地位。基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)的光学生化传感器就是一种无标记型光学生化传感器，同时也是光传感领域的研究热点。现有的硅基光学生化传感器，大多采用了倏逝波探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减。其原理在于待测样本中生物化学物质会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变，会表现为光学生化传感器的有效折射率的变化，从而实现待测样本中的生物化学物质浓度的变化信息转换为输出光信号的变化。目前已用于光传感的平面波导结构有马赫曾德尔型、光栅型、法布里-珀罗腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。其中，对基于微环谐振腔结构的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器传感长度的增加，更能引起光信号相位或强度的变化，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，且小尺寸的光学生化传感器也便于整个传感系统的微型化，有效降低系统成本。基于单微环谐振腔的传感器传感灵敏度受限于微环谐振腔本身的结构特性，虽然可以通过在环型波导上周期性挖孔以增大待测物对倏逝场的影响，从而提高器件的传感灵敏度，但会引起光场损耗增大的问题；目前较多的是通过级联两个微环谐振腔，利用其产生的游标效应来提高灵敏度，但该级联结构的传感范围并不能得到提高。本专利技术提出的传感器结构与现有的同尺寸级联微环型结构相比，实现了在达到相同的高传感灵敏度条件下，将传感范围扩大一倍的效果。
技术实现思路
技术问题：本专利技术为解决无标记型光学传感中对某些需要高灵敏度检测物质的传感检测问题，提供了一种基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，能够在大幅提高传感灵敏度的基础上，比现有同尺寸的级联微环型传感器的传感范围提高一倍。技术方案：为了达到上述目的，本专利技术的一种基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，该传感器自下而上依次由层叠的硅衬底层、二氧化硅下包层、单晶硅芯层、二氧化硅上包层构成，其特征在于，所述的单晶硅芯层包含第一直波导、第一微环谐振腔，第一U型波导、第二直波导，第二微环谐振腔，第二U型波导，第三直波导；第一直波导的输出与第一U型波导的输入相连，第一U型波导的输出与第二直波导的输入相连，第二直波导的输出与第二U型波导的输入相连，第二U型波导的输出与第三直波导的输入相连；第一微环谐振腔位于第一U型波导内侧的第一直波导与第二直波导之间，第二微环谐振腔位于第二U型波导内侧的第二直波导与第三直波导之间。第一U型波导的长度等于第一微环谐振腔的周长，第二U型波导长度等于第二微环谐振腔的周长。第一微环谐振腔与第二微环谐振腔具有较小差异的自由光谱范围，两者差值小于第二微环谐振腔谐振峰的半高全宽。第一微环谐振腔与第一直波导、第二直波导之间的耦合系数k在0.3～0.4范围内，第二微环谐振腔与第二直波导、第三直波导之间的耦合系数k在0.3～0.4范围内。第一微环谐振腔与第一直波导、第二直波导之间的耦合系数k和第二微环谐振腔与第二直波导、第三直波导之间的耦合系数k相同。第一微环谐振腔、第一U型波导所在区域的上包层为二氧化硅层，第二微环谐振腔、第二U型波导所在传感区的上包层为待测样本。所有波导的宽度均为300-500nm。所有波导的厚度均为200-300nm。有益效果：基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，以SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料为基体，可以利用成熟的微电子CMOS加工工艺，使得该折射率传感器易于大规模批量生产，有利于降低成本。与相同尺寸的级联微环型传感器相比，能够在大幅提高传感灵敏度的基础上，将传感检测范围提高一倍。并且本折射率传感器既可用于液体样本的传感检测，也可用于气体分子的传感检测。因此，本专利技术具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等特点。附图说明图1为本专利技术实施例的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器的结构示意图。图2为本专利技术实施例的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器的横截面a的横截面视图。图3为本专利技术实施例的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器的横截面b的横截面视图。图4为传感区待测液体为去离子水(n＝1.333RIU)以及待测液体折射率变为1.3362RIU时传感器的输出谱线对比。图5为本专利技术的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器构成的传感系统结构示意图。附图标记说明：第一直波导1，第一微环谐振腔2，第一U型波导3，第二直波导4，第二微环谐振腔5，第二U型波导6，第三直波导7，传感区8，硅衬底层11，二氧化硅下包层12，单晶硅芯层13，待测样本容纳层14，二氧化硅上包层15。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图对本专利技术作进一步的详细说明。图1为本专利技术的基于U型波导嵌套微环的折射率传感器的结构示意图，自下而上依次由层叠的硅衬底层11、二氧化硅下包层12、单晶硅芯层13、二氧化硅上包层15构成，其特征在于，所述的单晶硅芯层13包含第一直波导1、第一微环谐振腔2，第一U型波导3、第二直波导4，第二微环谐振腔5，第二U型波导6，第三直波导7。第一直波导1的输出与第一U型波导3的输入相连，第一U型波导3的输出与第二直波导4的输入相连，第二直波导4的输出与第二U型波导6的输入相连，第二U型波导6的输出与第三直波导7的输入相连，其中，第一直波导1、第二直波导4、第三直波导7相互平行，第一微环谐振腔2置于第一直波导1与第二直波导4之间，第二微环谐振腔5置于第二直波导4与第三直波导7之间。特别的，第一U型波导3长度等于第一微环谐振腔2的周长，第二U型波导长度6等于第二微环谐振腔5的周长，第一微环谐振腔2与第二微环谐振腔5具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，其特征在于，该传感器自下而上依次由层叠的硅衬底层(11)、二氧化硅下包层(12)、单晶硅芯层(13)、二氧化硅上包层(15)构成，所述的单晶硅芯层(13)包含第一直波导(1)、第一微环谐振腔(2)，第一U型波导(3)、第二直波导(4)，第二微环谐振腔(5)，第二U型波导(6)，第三直波导(7)；第一直波导(1)的输出与第一U型波导(3)的输入相连，第一U型波导(3)的输出与第二直波导(4)的输入相连，第二直波导(4)的输出与第二U型波导(6)的输入相连，第二U型波导(6)的输出与第三直波导(7)的输入相连；第一微环谐振腔(2)位于第一U型波导(3)内侧的第一直波导(1)与第二直波导(4)之间，第二微环谐振腔(5)位于第二U型波导(6)内侧的第二直波导(4)与第三直波导(7)之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，其特征在于，该传感器自下而上依次由层叠的硅衬底层(11)、二氧化硅下包层(12)、单晶硅芯层(13)、二氧化硅上包层(15)构成，所述的单晶硅芯层(13)包含第一直波导(1)、第一微环谐振腔(2)，第一U型波导(3)、第二直波导(4)，第二微环谐振腔(5)，第二U型波导(6)，第三直波导(7)；第一直波导(1)的输出与第一U型波导(3)的输入相连，第一U型波导(3)的输出与第二直波导(4)的输入相连，第二直波导(4)的输出与第二U型波导(6)的输入相连，第二U型波导(6)的输出与第三直波导(7)的输入相连；第一微环谐振腔(2)位于第一U型波导(3)内侧的第一直波导(1)与第二直波导(4)之间，第二微环谐振腔(5)位于第二U型波导(6)内侧的第二直波导(4)与第三直波导(7)之间。


2.根据权利要求1所述的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，其特征在于，第一U型波导(3)的长度等于第一微环谐振腔(2)的周长，第二U型波导长度(6)等于第二微环谐振腔(5)的周长。


3.根据权利要求1所述的基于级联U型波导嵌套微环的硅基折射率传感器，其特征在于，第一微环谐振腔(2)与第二微环谐振腔(5)具有较小差异的自由光谱范围，两者差值小于第二微...

【专利技术属性】
技术研发人员：恽斌峰，傅方正，胡国华，崔一平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32