一種基于周期波導(dǎo)微腔諧振干涉效應(yīng)的集成光學(xué)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種諧振干涉光學(xué)器件，特別是涉及光學(xué)傳感器件領(lǐng)域的一種基于周期波導(dǎo)微腔諧振干涉效應(yīng)的集成光學(xué)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來人類在食品安全、生化檢驗、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軅鞲衅鞯男枨笕找嬖鲩L。集成光學(xué)傳感器由于具有尺寸小、靈敏度高、成本低和抗電磁干擾等特點，在生化傳感等片上傳感領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。目前已發(fā)展起多種集成光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)，例如Mach-Zehnder干涉儀、微諧振腔(微環(huán)、微碟、光子晶體微腔等)和表面等離子波導(dǎo)等傳感器。在待測物作用下，光波導(dǎo)的有效折射率將發(fā)生變化，使傳感器件的光學(xué)響應(yīng)譜線發(fā)生改變，通過分析光譜線型的漂移或某固定波長處光強度變化從而可獲得待測物的信息。傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，自由光譜范圍(FSR)也較大，但是由于Mach-Zehnder干涉儀的光譜線型是正弦函數(shù)，因此對折射率的變化并不十分敏感。通常為了改善Mach-Zehnder型傳感器的傳感靈敏度需增加兩干涉臂的長度以增強待測物和光波導(dǎo)的作用，不利于傳感單元器件的微型化。微環(huán)諧振腔傳感器具有較高的品質(zhì)因子(Q值)，其諧振譜線呈較尖銳的洛倫茲線型，易于檢測由待測物作用引起的諧振波長漂移或強度變化。但是，由于微環(huán)諧振腔的Q值與其尺寸和FSR存在制約關(guān)系(直徑越大則Q越大、但FSR越小)，使得微環(huán)諧振腔的測試范圍受到限制，也不利于器件的微型化和減少測試時對待測物的耗費。光子晶體微腔則是另一類極具潛力的傳感單元結(jié)構(gòu)，它在獲得高Q值的同時可滿足少?；騿文l件，使其測試范圍不受FSR限制。光子晶體微腔尺寸極小，具有比其他光學(xué)微腔更低的模式體積(V值為(λ/η)3量級)，使得腔中光與待測物的相互作用大大增強，可有效的提高傳感器靈敏度。但由于目前工藝水平限制，實際制作出的光子晶體微腔Q值比設(shè)計的Q值要低很多，而在待測物作用環(huán)境下其Q值由于吸收、散射等影響又會進一步降低，因而實際的傳感器的靈敏度有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于周期波導(dǎo)微腔諧振干涉效應(yīng)的集成光學(xué)傳感器，易于制作，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高、測試范圍寬，且對待測物耗費少。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]本發(fā)明包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、參考臂、傳感臂、輸入耦合區(qū)和輸出耦合區(qū)；參考臂和傳感臂兩端分別在輸入耦合區(qū)和輸出耦合區(qū)相耦合；信號光源經(jīng)輸入波導(dǎo)連接到輸入耦合區(qū)，輸出耦合區(qū)經(jīng)輸出波導(dǎo)與信號光檢測器相連，傳感臂具有周期波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)，是一種周期單元沿傳感臂方向排列的一維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)
[0006]所述的周期性波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)采用含有沿傳感臂方向排列的多個小孔的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0007]所述的周期性波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)采用含有沿傳感臂方向周期排列且以傳感臂中間對稱的多個小孔的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的輸入耦合區(qū)和輸出耦合區(qū)為Y分叉耦合器、3dB定向耦合器或多模干涉耦合器。
[0009]所述的周期波導(dǎo)微腔的波導(dǎo)寬度不變，小孔直徑由位于傳感臂中間的小孔向兩側(cè)耦合區(qū)端的小孔等間隔遞減。
[0010]所述的周期波導(dǎo)微腔的小孔尺寸不變，波導(dǎo)寬度由中間向兩側(cè)呈二次曲線遞增。
[0011]所述的周期波導(dǎo)微腔的小孔尺寸不變，波導(dǎo)寬度由中間向兩側(cè)呈二次曲線遞減。
[0012]所述的周期波導(dǎo)微腔的小孔為圓形孔、方形孔。
[0013]本發(fā)明的周期性波導(dǎo)微腔為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得諧振腔和波導(dǎo)可以直接耦合；周期波導(dǎo)微腔能夠獲得極高的品質(zhì)因子(Q值)和極低的模式體積(V值)，可極大地增強待測物和光的相互作用；并且，周期波導(dǎo)微腔可以設(shè)計成少模甚至單模工作，使傳感器的測試范圍不受自由光譜范圍(FSR)的限制；通過周期波導(dǎo)微腔的諧振態(tài)光波和參考臂的連續(xù)波相干涉產(chǎn)生極其陡峭的Fano光譜線型。
[0014]當(dāng)光通過被待測物包裹作用的周期波導(dǎo)微腔時，若待測物的折射率發(fā)生變化周期波導(dǎo)微腔的諧振態(tài)會發(fā)生改變，其諧振波長的變化進而會引起兩臂干涉的光譜線型變化。由于周期波導(dǎo)微腔所在傳感臂上通過的諧振態(tài)光波和參考臂上通過的連續(xù)態(tài)光波干涉會產(chǎn)生極其尖銳的非對稱Fano譜線，因此通過監(jiān)測和分析干涉波譜的漂移或是譜線極值點附近某固定波長的功率變化極易獲得待測物的濃度、成分等信息。
[0015]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0016]本發(fā)明利用了周期波導(dǎo)微腔高Q值、低V值、不受FSR限制和結(jié)構(gòu)緊湊的特點，直接將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周期波導(dǎo)微腔制作在傳統(tǒng)Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)的其中一臂上充當(dāng)傳感臂，獲得極陡峭的Fano光譜線型，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、靈敏度高、測試范圍大、對待測物耗費少的傳感器。
[0017]本發(fā)明利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使得所涉及的傳感器實現(xiàn)大規(guī)模片上制作，能大大降低傳感芯片的生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明采用Y分叉耦合器和圓形孔尺寸線性漸變的實施例圖。
[0020]圖3是本發(fā)明采用3dB定向耦合器、圓形孔和波導(dǎo)尺寸二次曲線漸變的實施例圖。
[0021]圖4是本發(fā)明采用多模干涉耦合器、圓形孔和波導(dǎo)尺寸二次曲線漸變的實施例圖。
[0022]圖5是本發(fā)明采用Y分叉耦合器和方形孔尺寸線性漸變的的實施例圖。
[0023]圖6是實施例1的折射率變化-光譜線型圖。
[0024]圖中:1、輸入波導(dǎo)，2、輸出波導(dǎo)，3、參考臂，4、傳感臂，5、輸入親合區(qū)，6、輸出I禹合區(qū)，7、周期波導(dǎo)微腔，8、Y分叉耦合器，9、3dB耦合器，10、多模干涉耦合器，11、小孔尺寸線性漸變的周期波導(dǎo)微腔，12、波導(dǎo)尺寸由中央向兩側(cè)呈二次曲線減小的周期波導(dǎo)微腔，13、波導(dǎo)尺寸由中央向兩側(cè)呈二次曲線增大的周期波導(dǎo)微腔，14、圓形孔，15、方形孔。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明包括輸入波導(dǎo)1、輸出波導(dǎo)2、參考臂3、傳感臂4、輸入耦合區(qū)5和輸出親合區(qū)6 ;參考臂3和周期波導(dǎo)微腔傳感臂4兩端分別在輸入親合區(qū)5和輸出I禹合區(qū)6相親合；信號光源經(jīng)輸入波導(dǎo)I連接到輸入親合區(qū)5的輸入端，輸入親合區(qū)5的輸出端分別連接參考臂3和周期波導(dǎo)微腔傳感臂4，輸出耦合區(qū)6的輸出端經(jīng)輸出波導(dǎo)2與信號光檢測器相連，輸出耦合區(qū)6的輸入端分別連接參考臂3和傳感臂4，傳感臂4具有周期波導(dǎo)微腔7結(jié)構(gòu)。信號光經(jīng)輸入耦合區(qū)分束后通過干涉臂和傳感臂的相位差為(n+1/2) ，其中η取整數(shù)。
[0027]上述周期性波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)采用沿傳感臂方向周期排列、周期不變的且以傳感臂中間對稱的多個小孔結(jié)構(gòu)。
[0028]優(yōu)選地，如圖2所示，周期波導(dǎo)的寬度不變，小孔的尺寸由位于傳感臂中間的小孔向兩側(cè)耦合區(qū)(輸入耦合區(qū)和輸出耦合區(qū))端的小孔等間隔遞減，位于周期波導(dǎo)微腔傳感臂4中央處的小孔尺寸線性漸變減小至輸入耦合區(qū)5、6處的小孔，形成小孔尺寸線性漸變的周期波導(dǎo)微腔11。
[0029]優(yōu)選地，如圖3所示，小孔尺寸不變，波導(dǎo)寬度由傳感臂4中間向兩側(cè)耦合區(qū)5、6呈二次曲線遞減，形成波導(dǎo)尺寸由中央向兩側(cè)呈二次曲線減小的周期波導(dǎo)微腔12。
[0030]優(yōu)選地，如圖4所示，小孔尺寸不變，波導(dǎo)寬度由傳感臂4中間向兩側(cè)耦合區(qū)5、6呈二次曲線遞增，形成波導(dǎo)尺寸由中央向兩側(cè)呈二次曲線增大的周期波導(dǎo)微腔13。
[0031]優(yōu)選地，如圖2—圖4所不，輸入親合區(qū)5和輸出親合區(qū)6可米用Y分叉親合器8、3dB定向耦合器9或多模干涉耦合器10。
[0032]優(yōu)選地，如圖2—圖4所示，周期波導(dǎo)微腔的小孔可采用圓形孔14或方形孔15。
[0033]本發(fā)明的工作過程為:讓待測物包裹并直接與周期波導(dǎo)微腔傳感臂充分接觸，信號光從輸入波導(dǎo)耦合輸入，經(jīng)輸入耦合區(qū)后分為