[發明專利]一種用于雙傳感的高Q穿孔柔性微環諧振腔的結構

有效

• 申請號: 202010082011.4
• 申請日: 2020-02-06
• 公開（公告）號: CN113218547B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 張平;何東躍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01N21/41;G02B6/12
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開一種用于雙傳感的高Q穿孔柔性微環諧振腔的結構，由柔性襯底層、總線波導、微環諧振腔以及穿孔缺陷組成，總線波導與微環型諧振腔集成在柔性襯底上，總線波導與微環型諧振腔之間存在間隙，光從總線波導一端輸入并在間隙處通過耦合進入到微環諧振腔；穿孔缺陷位于微環諧振腔正上方；本發明的穿孔微環諧振腔，由于其完美的角對稱性被打破，腔體內出現對稱駐波模式與非對稱駐波模式，這兩種駐波模式在腔體內的電磁場能分布有差異，因此可實現對周圍環境折射率與壓力的雙傳感應用。利用此結構，可以解決柔性光子器件在生物傳感應用中，由于力?光耦合效應引入非生物因素干擾的問題。

技術領域

本發明屬于光子器件和生物傳感技術應用領域，更加具體地說，涉及一種可實現折射率與壓力同時探測的新型穿孔型高Q值的柔性微環諧振腔的結構。

背景技術

基于回音壁模式的光學微型諧振腔作為傳感器，在溫度傳感、折射率傳感、應變傳感、壓力傳感、超聲傳感以及生物傳感等眾多傳感系統中已經被大量地研究。其中微環型諧振腔由于具有較高的Q值從而能夠獲得較低的探測極限，并且環形結構簡單，易于制備，有利于使器件微型化以便集成。當光以全反射的形式在回音壁模式(WGM)諧振腔傳播時，滿足諧振條件的光將在腔內傳輸被循環進而實現諧振狀態，受限光在輸出光譜上表現為下陷尖峰的洛倫茲線型。諧振腔作為生物傳感器在探測行為發生前，傳感器位于生物緩沖液中，當探測物質附著于傳感器表面時，傳感器表面附近的折射率發生改變，最終導致諧振波長發生偏移，將偏移量化為生物分子因素變化的定量表征，這就是生物傳感實現的原理。

當把集成光學諧振腔的柔性光子器件用于生物傳感時，器件在彎曲，壓縮，拉伸等變形中不可避免的受到機械壓力的影響，諧振腔由于徑向剪切應力會引起腔體尺寸的變化，同時由于力-光耦合效應會引起腔體有效折射率的變化，因此將會導致諧振波長的偏移，這就造成非生物因素對探測的影響，嚴重降低了生物傳感結果的準確性。

在基于回音壁模式的諧振腔中，光固有地支持兩種諧振頻率、場分布相同而傳播方向相反的順時針(CW)和逆時針(CCW)的場傳播模式。而WGM模式的產生源于這兩種模式的簡并。當這種簡并狀態被打破，原WGM模式發生變化，將會產生諸如模式分裂的新諧振模式。新諧振模式的出現，使得傳感器能夠實現多重因素傳感的可能，豐富了其應用領域的靈活性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供能夠實現雙傳感的新型穿孔柔性微環諧振腔的結構設計，可以同時探測諧振腔周圍折射率以及所受壓力的變化，能同時作為折射率傳感器與壓力傳感器，解決柔性光子器件在生物傳感應用中由于力-光耦合效應造成的準確性降低的技術問題。

為了實現上述技術目的，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種用于雙傳感的高Q穿孔柔性微環諧振腔的結構，由柔性襯底層、總線波導、微環型諧振腔以及設置在微環諧振腔上的穿孔型缺陷組成，總線波導以及微環諧振腔設置在柔性襯底層上；微環諧振腔與總線波導之間存在間隙；在總線波導的兩端分別設置總線波導入口和總線波導出口；穿孔型缺陷位于微環諧振腔上，整體形狀為圓柱體，穿孔型缺陷形狀為圓柱體，其高度與微環諧振腔一致，小于微環諧振腔的圓環寬度，從俯視方向來看，自穿孔型缺陷截面的中心出發，經微環諧振腔的圓心到總線波導進行連線，這一連線垂直于總線波導；沿這一連線，總線波導與微環諧振腔的距離即為兩者之間存在的間隙；

從光傳播角度來看，光從總線波導入口輸入并在間隙處通過耦合進入到微環諧振腔并沿著順時針或者逆時針方向進行傳輸，當光傳輸到穿孔型缺4時，部分輻射光繼續沿著原始方向進行傳輸，部分輻射光從缺陷處輻射到自由空間并被反射進入微環諧振腔，進而沿著與原始方向相反的方向進行傳播，即產生順時針和逆時針傳輸方向的光場，從而引起兩個相反方向傳播的WGM之間的耦合，原有簡并被打破，導致模式分裂的產生，這兩種諧振模式的光場能量分布有所差異，從而對外界環境改變的靈敏度有所不同，即光在微環諧振腔中經過穿孔型缺陷后，產生兩個傳播方向相反的光場。

而且，微環型諧振腔與總線波導的高度一致。