一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法，所述的双光栅反馈的超薄激光折射率传感器由上光栅层、增益层、下光栅层组成。该设计具有传统激光器的特征：低阈值、单纵模、小发散角，并且因为简单的结构，降低了制备和集成的难度，减小了量产的成本。同时，由于光栅结构的特殊性，激光器激发的波长与环境折射率有关，因此，该设计还具有对环境折射率探测的功能，其灵敏度达到221nm/RIU,品质因子达到4420RIU

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法


[0001]本专利技术涉及有源传感器件设计及其应用，属于激光与传感技术交叉领域，具体涉及一种基于双光栅反馈的二维片上传感器设计方法。

技术介绍

[0002]一维亚波长高对比度光栅(High Contrast Gratings,HCG)是一种结构周期小于入射光波长、偏振敏感的紧凑型光学元件，通过改变周期、厚度、占空比等结构参数可以控制其反射光谱特性，产生瑞利异常，共振异常，宽波段高反射等丰富的物理现象。HCG的高折射率材料通常为折射率大于2的半导体材料，而HCG的低折射率材料可以是气体、液体等低折射率的工作环境物质，从而使得光栅能够与所处环境有优良的交互性，因此，无论是在气体环境或是液体/溶液应用场景中，基于HCG所设计的传感器都有很好的应用潜力，也一直是光学传感器设计研究的热点之一。
[0003]HCG宽波段高反射镜优越的性能为垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)提供了一种简化设计、缩小尺寸的手段，使得HCG
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VCSEL在3D传感、人脸识别、环境检测以及光通信等领域取得巨大成功。该种类激光器一般有三个部分，由悬浮HCG以及少量DBR(Distributed Bragg Reflector)构成上层反射镜，大量DBR构成下层反射镜，中间填充厚度为半波长整数倍的增益层构成谐振腔。尽管与全DBR的VCSEL相比，已经一定程度上减小了尺寸以及反射镜外延生长的难度，但是悬浮的HCG以及下层DBR的生长挑战依旧阻碍着其进一步发展。
[0004]激光即受激辐射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，激光波长的变化在腔的形状和增益介质不变的情况下依赖于谐振腔和外界环境的折射率变化。在受激辐射状态下增益介质的增益补偿了辐射损耗和其它损耗，使得激光的线宽很窄，可小于1nm，具有很高的品质因子。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中HCG既对环境折射率变化敏感又能提供宽波段高反的特点，并且激光具有高相干、窄线宽输出的优势，将两者结合运用于光学传感器中，对环境、生物、化学等领域的实时、准确、快速检测有重要意义。因此，本专利技术提供了一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法，HCG的结构特点以及丰富的光谱学特性，既能满足作为传感器与被探测体的交互的需求，又能组成激光谐振腔，而双侧HCG的使用既能减小器件尺寸，又能解决传统VCSEL大几十层DBR外延生长困难的问题，同时上下相同的HCG结构便于量产和集成。
[0006]一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，为三明治结构，两侧为同结构光栅层，中间夹着增益层；在双侧光栅之间形成F
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P谐振，在水平方向又存在导模共振，从而形成了谐振腔反射谱非对称的Fano线型；所述的光栅层为由外界环境充当低折射率材料的亚波长高对比度光栅结构，对垂直于折射率周期性变化的方向提供宽波段的高反射能力；由于双侧
光栅的结构设计，在垂直方向形成了法布里珀罗谐振腔，经过泵浦激发的光在谐振腔内来回穿过增益层得到增益，从而引起受激辐射光放大；由于整个器件是亚波长结构，在光栅平面存在高阶衍射导致的导模共振，从而导致激射波长与环境折射率变化有关。泵浦光激发增益介质达到激射的条件后产生受激辐射；而待测体折射率的改变会直接导致谐振腔模式发生移动。
[0007]本专利技术的整个器件可以完全暴露在待测体中；待测体为气态或者液态等低折射率流动性物质。
[0008]光栅层为折射率为2
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3.6的半导体材料，为例如氮化硅，砷化镓，磷化铟等；光栅层作为顶层或者底层反射镜至少有部分区域通过干法刻蚀和湿法腐蚀等手段使其具有亚波长光栅结构；上下双光栅周期性变化方向、结构参数、周期数均一致，高折射率条对齐。
[0009]增益层采用罗丹明(Rhodamine)、DCM及其衍生物等掺杂在二氧化硅中的有机增益，或者量子阱、量子点等半导体增益；增益厚度在50nm到500nm之间。
[0010]本传感器使用激光波长来测量折射率变化，折射率传感器通常使用灵敏度和品质因子来表征传感器的性能，其中Δλ为激射光谱峰位的移动，Δn为对应折射率的变化，FWHM为激射波长半高宽。
[0011]一种基于双光栅反馈的二维片上传感器的设计方法：
[0012]步骤一：通过严格耦合波分析法RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)、FDTD(Finite Difference Time Domain)、FEM(Finite Element Method)等仿真手段计算HCG的反射率，扫描不同周期、占空比、厚度等结构参数下的反射光谱，并分别绘出波长与周期、占空比、厚度的反射率图谱，从而寻找具有合适光谱特性的结构参数。
[0013]步骤二：通过单周期结构仿真，寻找合适的增益以及间隔层厚度，设计谐振腔谐振波段与增益谱重叠。
[0014]本专利技术的优点在于：本专利技术创新性的运用了双侧HCG结构实现了激光器设计，作为一种激光器具有低阈值、单纵模、小发散角等优点，作为一种折射率传感器，激光器所带来的单纵模输出大大提高了探测信号的信噪比，窄线宽输出让传感器的品质因子得到了很大的提升。
附图说明
[0015]图1为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器的结构示意图。
[0016]图2为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器一个具体实例的结构示意图。
[0017]图3(a)为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器中HCG的厚度扫描反射谱图。
[0018]图3(b)为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器中周期为530nm、占空比为0.5、厚度为230nm的HCG高分辨反射谱图。
[0019]图3(c)为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器中激光器输出输出曲线以及FWHM随输入变化的折线图。
[0020]图3(d)为本专利技术双光栅反馈的二维片上传感器中峰位波长及FWHM随折射率变化的折线图。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术的技术方案、设计方法和器件优势更加清楚，下面通过具体实例，结合附图对本专利技术进一步的详细介绍说明。
[0022]本专利技术提供了一种双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法。该设计整体结构如图1所示，上光栅层1中的4为由刻蚀形成的光栅结构，5为未被刻蚀的光栅支撑层，当然，5的厚度由器件腔体设计需要决定，可以为0。同样，下光栅层3中的10为由刻蚀形成的光栅结构，9为未被刻蚀的光栅支撑层，9也可以为0，但是1和3均具有相同结构参数。增益层2中的7可以为罗丹明等有机物掺杂的二氧化硅层，也可以为GaAlAs/InGaAsP等量子阱、量子点组成的半导体增益，2中的6和8为间隔层，可以起到保护增益物质的作用，同时有扩充腔长的功能，6和8当然也可以为0。
[0023]图2所示为一种具体实例结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，其特征在于：为三明治结构，两侧为同结构光栅层，中间夹着增益层；在双侧光栅之间形成F
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P谐振，在水平方向又存在导模共振，从而形成了谐振腔反射谱非对称的Fano线型；所述的光栅层为由外界环境充当低折射率材料的亚波长高对比度光栅结构，对垂直于折射率周期性变化的方向提供宽波段的高反射能力；由于双侧光栅的结构设计，在垂直方向形成了法布里珀罗谐振腔，经过泵浦激发的光在谐振腔内来回穿过增益层得到增益，从而引起受激辐射光放大；由于整个器件是亚波长结构，在光栅平面存在高阶衍射导致的导模共振，从而导致激射波长与环境折射率变化有关。2.根据权利要求1所述的一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，其特征在于：所述的器件双侧光栅同时暴露于工作环境中。3.根据权利要求1所述的一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，其特征在于：所述的折射率传感器工作在折射率较低的环境中，即适用于气体环境，也适用于液体环境。4.根据权利要求1所述的一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，其特征在于：所述的光栅层为高折射率材料，折射率在2.0到3.6之间的半导体材料。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩然，王涛，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：