本发明专利技术公开一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，由柔性衬底层、总线波导、微环谐振腔以及穿孔缺陷组成，总线波导与微环型谐振腔集成在柔性衬底上，总线波导与微环型谐振腔之间存在间隙，光从总线波导一端输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔；穿孔缺陷位于微环谐振腔正上方；本发明专利技术的穿孔微环谐振腔，由于其完美的角对称性被打破，腔体内出现对称驻波模式与非对称驻波模式，这两种驻波模式在腔体内的电磁场能分布有差异，因此可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。利用此结构，可以解决柔性光子器件在生物传感应用中，由于力‑光耦合效应引入非生物因素干扰的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构
本专利技术属于光子器件和生物传感技术应用领域，更加具体地说，涉及一种可实现折射率与压力同时探测的新型穿孔型高Q值的柔性微环谐振腔的结构。
技术介绍
基于回音壁模式的光学微型谐振腔作为传感器，在温度传感、折射率传感、应变传感、压力传感、超声传感以及生物传感等众多传感系统中已经被大量地研究。其中微环型谐振腔由于具有较高的Q值从而能够获得较低的探测极限，并且环形结构简单，易于制备，有利于使器件微型化以便集成。当光以全反射的形式在回音壁模式(WGM)谐振腔传播时，满足谐振条件的光将在腔内传输被循环进而实现谐振状态，受限光在输出光谱上表现为下陷尖峰的洛伦兹线型。谐振腔作为生物传感器在探测行为发生前，传感器位于生物缓冲液中，当探测物质附着于传感器表面时，传感器表面附近的折射率发生改变，最终导致谐振波长发生偏移，将偏移量化为生物分子因素变化的定量表征，这就是生物传感实现的原理。当把集成光学谐振腔的柔性光子器件用于生物传感时，器件在弯曲，压缩，拉伸等变形中不可避免的受到机械压力的影响，谐振腔由于径向剪切应力会引起腔体尺寸的变化，同时由于力-光耦合效应会引起腔体有效折射率的变化，因此将会导致谐振波长的偏移，这就造成非生物因素对探测的影响，严重降低了生物传感结果的准确性。在基于回音壁模式的谐振腔中，光固有地支持两种谐振频率、场分布相同而传播方向相反的顺时针(CW)和逆时针(CCW)的场传播模式。而WGM模式的产生源于这两种模式的简并。当这种简并状态被打破，原WGM模式发生变化，将会产生诸如模式分裂的新谐振模式。新谐振模式的出现，使得传感器能够实现多重因素传感的可能，丰富了其应用领域的灵活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供能够实现双传感的新型穿孔柔性微环谐振腔的结构设计，可以同时探测谐振腔周围折射率以及所受压力的变化，能同时作为折射率传感器与压力传感器，解决柔性光子器件在生物传感应用中由于力-光耦合效应造成的准确性降低的技术问题。为了实现上述技术目的，本专利技术通过以下的技术方案予以实现：一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，由柔性衬底层、总线波导、微环型谐振腔以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷组成，总线波导以及微环谐振腔设置在柔性衬底层上；微环谐振腔与总线波导之间存在间隙；在总线波导的两端分别设置总线波导入口和总线波导出口；穿孔型缺陷位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导；沿这一连线，总线波导与微环谐振腔的距离即为两者之间存在的间隙；从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输，当光传输到穿孔型缺4时，部分辐射光继续沿着原始方向进行传输，部分辐射光从缺陷处辐射到自由空间并被反射进入微环谐振腔，进而沿着与原始方向相反的方向进行传播，即产生顺时针和逆时针传输方向的光场，从而引起两个相反方向传播的WGM之间的耦合，原有简并被打破，导致模式分裂的产生，这两种谐振模式的光场能量分布有所差异，从而对外界环境改变的灵敏度有所不同，即光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场。而且，微环型谐振腔与总线波导的高度一致。而且，微环型谐振腔的外半径3.215μm，内半径2.785μm，高度为230nm。而且，微环型谐振腔与总线波导之间存在间隙为耦合间隙，大小为80nm。而且，总线波导的截面为矩形，宽度为430nm，高度为230nm。而且，穿孔型缺陷为圆柱形，半径为130nm，高度为230nm。而且，采用折射率为1.56的SU-8作为传感系统的柔性衬底材料，以及采用折射率为3.47的Si作为总线波导与微环型谐振腔的材料。利用该种穿孔微环谐振腔结构实现折射率与压力的双传感的方法，其特征在于，利用微环腔内中两种不同驻波模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知对称和非对称驻波模式谐振波长偏移的条件下，求解二阶灵敏度逆矩阵，能够实现周围环境折射率与谐振腔所承受压力变化的双传感。即：其中，Δn和Δp分别表示周围环境折射率变化以及谐振腔所受压力大小，MRI,P-1表示灵敏度矩阵的逆矩阵，Δλ,SM和Δλ,ASM分别表示对称驻波模式和非对称驻波模式对应的谐振波长偏移；二阶灵敏度特征矩阵MRI,P如下：其中，SRI,SM和SP,SM分别表示对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度，SRI,ASM和SP,ASM分别表示非对称驻波模式对应的折射灵敏度和压力灵敏度。在本专利技术的有限时域差分数值模拟中，得到对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为76.03nm/RIU和5.37pm/kPa，非对称驻波模式对应的折射率灵敏度和压力灵敏度分别为68.82nm/RIU和6.15pm/kPa。通过求解灵敏度逆矩阵，代入上述的公式，即可分别测量出环境折射率变化或者器件承受压力的单一因素所引起的谐振波长的偏移。即：本专利技术的可实现双传感应用的穿孔微环谐振腔结构，其特征在于，具有较高的Q值，其中对称型驻波模式的Q值可达到1200，非对称型驻波模式的Q值可达到2200。根据探测极限的公式：F一般取1/100，可得到对称驻波模式对应的折射率探测极限和压力探测极限分别为1.739×10-4RIU与2.41kPa；非对称驻波模式对应的折射率探测极限和压力探测极限分别为1.024×10-4RIU与1.146kPa。与现有技术相比，本专利技术公开一种能够实现折射率与压力双传感的具有高Q值新型穿孔柔性微环谐振腔的结构设计，主要由柔性衬底层、总线波导、微环谐振腔以及穿孔缺陷组成，总线波导与微环型谐振腔集成在柔性衬底上，总线波导与微环型谐振腔之间存在一定间隙，光从总线波导一端输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔；穿孔缺陷位于微环谐振腔正上方；本专利技术的穿孔微环谐振腔，由于其完美的角对称性被打破，腔体内出现对称驻波模式与非对称驻波模式，这两种驻波模式在腔体内的电磁场能分布有差异，因此可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。本专利技术的技术方案能够实现双传感应用的穿孔型微环谐振腔结构，在柔性光子器件的生物传感应用中，可有效的消除力-光耦合效应对于折射率探测的影响，解决了由于机械变形的时压力因素对生物传感探测结果不准确的问题，同时解决柔性光子器件在生物传感应用中，由于力-光耦合效应引入非生物因素干扰的问题。附图说明图1是本专利技术的穿孔型微环谐振腔结构示意图(1)，其中柔性衬底层1、总线波导2、总线波导输入端2-1、总线波导输出端2-2、微环型谐振腔3、穿孔型缺陷4。图2是本专利技术实施例中穿孔型微环型谐振腔在1.55μm附近的归一化传输光谱图。图3是本专利技术实施例中对称驻波模式和非对称驻波模式的z方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，由柔性衬底层、总线波导、微环型谐振腔以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷组成，总线波导以及微环谐振腔设置在柔性衬底层上；微环谐振腔与总线波导之间存在间隙；在总线波导的两端分别设置总线波导入口和总线波导出口；穿孔型缺陷位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导；沿这一连线，总线波导与微环谐振腔的距离即为两者之间存在的间隙；从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输，光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场。/n
【技术特征摘要】
1.一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，由柔性衬底层、总线波导、微环型谐振腔以及设置在微环谐振腔上的穿孔型缺陷组成，总线波导以及微环谐振腔设置在柔性衬底层上；微环谐振腔与总线波导之间存在间隙；在总线波导的两端分别设置总线波导入口和总线波导出口；穿孔型缺陷位于微环谐振腔上，整体形状为圆柱体，穿孔型缺陷形状为圆柱体，其高度与微环谐振腔一致，小于微环谐振腔的圆环宽度，从俯视方向来看，自穿孔型缺陷截面的中心出发，经微环谐振腔的圆心到总线波导进行连线，这一连线垂直于总线波导；沿这一连线，总线波导与微环谐振腔的距离即为两者之间存在的间隙；从光传播角度来看，光从总线波导入口输入并在间隙处通过耦合进入到微环谐振腔并沿着顺时针或者逆时针方向进行传输，光在微环谐振腔中经过穿孔型缺陷后，产生两个传播方向相反的光场。
2.根据权利要求1所述的一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，微环型谐振腔的外半径3.215μm，内半径2.785μm，高度为230nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，微环型谐振腔与总线波导之间存在间隙为耦合间隙，大小为80nm。
4.根据权利要求1所述的一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，总线波导的截面为矩形，宽度为430nm，高度为230nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，穿孔型缺陷为圆柱形，半径为130nm，高度为230nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于双传感的高Q穿孔柔性微环谐振腔的结构，其特征在于，采用折射率为1.56的SU-8作为传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：张平，何东跃，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。