一种基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器

1.本实用新型属于生物化学传感器技术领域，尤其涉及一种基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器。


背景技术：

2.基于集成光子技术的微纳光子生物传感器具有高灵敏度、实时、无需荧光标记等传统检测手段不能比拟的优点，近年来受到广泛重视。此类生物传感器的基本原理可概括为利用波导结构将折射率扰动转换为至少一种光学性质的变化，如光学微腔谐振波长的偏移、光强和相位变化等，从而实现高灵敏度的生物化学检测。由于可利用半导体工艺进行大规模生产，检测成本可望得到极大的降低。目前被大量研究的波导和器件结构主要有表面等离子器件、微环谐振腔、硅纳米线、多孔硅、一维和二维光子晶体、微腔布拉格光栅、马赫曾德干涉仪等。但是现有的微纳光子传感器主要存在以下缺陷：
3.1)基于传统波导结构的生物化学传感器利用衰逝波进行折射率扰动的检测，而衰逝波仅存在于离波导表面有限的距离，导致灵敏度较低。采用表面等离子体可达到较高灵敏度，但由于基于非波导结构，无法大规模集成，通量偏低，因而应用场景有限。
4.2)由于衰逝波呈指数衰减，在进行表面检测时，如癌症标记物、核酸等检测，灵敏度随着在波导表面附着的分子厚度的增加而快速下降。由于这些缺点来自于波导的基本物理原理，优化传统波导的设计并不能从根本上解决这些问题。因而本实用新型对于进一步提高片上传感器的灵敏度具有重要的意义。
5.3)高灵敏度传感器易受热噪声和振动等环境因素的干扰，难以检测到诸如单个分子引起的微小折射率扰动，从而限制了传感器的可探测极限(limit of detection)。通过多个传感器的参照可部分避免这些因素的干扰，但由于每个传感器响应的差异，并不能完全消除环境扰动因素的影响。通过微腔中模式分裂可形成自参考测量，从而实现单分子检测。然而现有微纳传感器通常通过后向散射造成的分裂实现自参考测量，需要微腔有较高的品质因子，因而无法在保持微腔表面灵敏度的情况下同时实现自参考测量。


技术实现要素：

6.针对以上技术问题，本实用新型公开了一种基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器，具有高灵敏度、高通量、无标记、低成本的特点。
7.对此，本实用新型采用的技术方案为：
8.一种基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器，其包括含有谐振腔的微环波导和直波导耦合构成，所述微环波导为周期小于光波长的亚波长光栅微环结构，所述直波导为周期小于光波长的亚波长光栅波导结构。
9.此技术方案的光栅微环传感器是微环谐振腔中的全通微环形式，全通型微环结构是由单个微环(环状波导)与一根直波导耦合构成的，只有一个输入端和一个输出端。光从输入端输入直波导，部分光经过耦合区耦合入微环，当传输的光满足谐振条件时，在谐振腔
nm和50nm的球型颗粒时模式分裂的变化图；其中a)为纳米颗粒位于亚波长光栅微环的外缘时的变化图；b)为当纳米颗粒出现在亚波长微纳结构微环的内边缘时的变化图；c)为当纳米颗粒位于硅柱之间的间隙中时的变化图。
26.附图标记包括：
27.1-微环波导，2-直波导，3-微环波导的高折射率介质，4-直波导的高折射率介质。
具体实施方式
28.下面对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
29.如图1所示，一种基于模式分裂的亚波长光栅微环传感器，其包括含有谐振腔的微环波导1和直波导2耦合构成，所述微环波导1为周期小于光波长的亚波长光栅微环结构，所述直波导2为周期小于光波长的亚波长光栅波导结构。所述微环波导1、直波导2均包括若干亚波长微纳结构单元，所述亚波长微纳结构单元包括高折射率介质和低折射率介质，所述直波导的高折射率介质4为矩形。所述微环波导的高折射率介质3为梯形。高折射率介质可以为硅、氮化硅或氮化铝，低折射率介质为空气或水。进一步的，直波导2由矩形硅块的交错排列构成，而微环波导1由梯形硅块构成来减小弯曲损耗从而增大品质因子以达到更好的传感性能。所述微环波导和直波导中的高折射率介质的高度相同。所述微环波导和直波导的周期近似相同。
30.本实施例的工作原理是：光从输入端输入直波导，部分光经过耦合区耦合入微环中，当传输的光满足mλ
res
＝2πr n
eff
，光在谐振腔中发生谐振而不断加强，其中m是整数，λ
res
为谐振波长，r是微环半径，n
eff
是传播模式的有效折射率。
31.其中亚波长光栅结构定义为周期小于光波长的光栅结构。它是由一系列交替的介质组成的，这些介质分别具有高折射率n
h
(硅、氮化硅、氮化铝)和低折射率n
l
(空气、水、生物样本溶液等)，并且沿传播方向具有周期λ(高折射率介质和低折射率介质的相应宽度分别为l和λ-l)。如图1所示，箭头表明光的传播方向，光从输入端进入直波导之中，部分光耦合至微环之中，满足谐振条件的光初始相位为w，光耦合进波导时相位变化π/2。在环中传输一圈相位变化2kπ，耦合出时相位再次变化π/2，此时光再从微环耦合至直波导后的相位与初始的相位差为(2k+1)π，此时输入的光与环耦合入直波导的光会发生干涉相消，从而在输出端口光强为0，在光谱上显示为谐振峰的出现。
32.因为此结构抑制了衍射效应，即使波导芯是不连续的，亚波长光栅波导中的光传播也可以通过将此波导视为具有等效折射率n
eq
(位于n
l
和n
h
之间)的连续条形波导来建模。
33.具体而言，微环波导中亚波长微纳结构单元的周期为λ。l，w，h分别表示亚波长微纳结构单元中高折射率材料(例如硅、氮化硅、氮化铝等)的长度、宽度和高度。 l
t
和l
b
为其中梯形高折射率材料的上下底。基于谐振的微环传感器依靠光与分析物的相互作用，将分析物的存在转换为可定量测量的光学信号，通过监测谐振波长的变化来实现传感。谐振波长λ由下式给出：
34.λ＝2πrn
eff
/m
ꢀꢀ
(1)
35.其中r是谐振器半径，n
eff
是光学谐振模式所经历的有效折射率，m是整数。当谐振模式的光场与分析物作用时，谐振模式的有效折射率发生改变。根据公式(1)，谐振波长随之改变。
36.与传统的微环波导相比，本实用新型利用微纳结构增大了光场与分析物的相互作用，因此灵敏度可超过500nm/riu，相比于传统的70nm/riu(有效折射率单位变化) 有较显著的提高。与此同时，微纳结构的存在导致微环中存在多个模式。当微环中存在m个周期时，在不可约区间内存在种二阶简并模式。其中代表小于或等于m/2并离m/2最近的整数。因此当微环与波导耦合时传输光谱中可观察到模式分裂现象。当样本浓度极低时，分裂模式谐振波长偏移不同，利用两个谐振波长可实现自参考测量。
37.为了验证该传感器的有效性，下面采用时域有限差分法对提出的器件进行模拟验证。模拟中选择硅作为高折射率材料。图2是输出端的透射光谱，可见光谱中出现了明显的模式分裂现象。微纳结构微环传感器的折射率灵敏度如图3所示。通过使包层折射率从1.33至1.37之间变化对不同浓度的溶液进行模拟，得到亚波长微纳结构微环的透射光谱，随着折射率的增加，谐振波长整体向长波长方向移动，如图3(a)所示。图3(b)中为谐振波长a、b和c中左侧谐振波长偏移。可以看出，由仿真得出谐振波长随着包层的折射率变化而线性变化。选取的三组谐振波长均显示出546.8nm/riu的折射率灵敏度，如图3(b)所示。其中两个共振之间的差异的变化将被称为δλ
s
，如图3(c) 所示，模拟中δλ
s
为零，代表右侧谐振波长偏移与左侧谐振波长一致。
38.当样品浓度极低时，传感器表面的样品分子数目有限，折射率变化不能等效为包层折射率的变化。为了验证非均匀性折射率扰动对器件传输光谱的影响，我们用时域有限差分法模拟了在微纳结构微环的不同位置出现折射率为1.4、直径为25nm和50nm 的球型颗粒时模式分裂的变化。如图4(a)所示，当纳米颗粒位于亚波长光栅微环的外缘时，在25nm和50nm颗粒的干扰下，接近1.55μm的分裂共振的δλ
s
分别为1.36nm 和0.95nm，而不放置粒子时的δλ
s
为1.50nm。而当纳米颗粒出现在亚波长微纳结构微环的内边缘时1.55μm附近的δλ
s
为1.50nm，几乎不受影响。但是，其他波长的共振组显示出明显的变化。例如，25nm和50nm粒子在1.53μm附近的δλ
s
分别为0.89nm 和0.51nm，而没有粒子时的值为0.25nm。如图4(c)所示，当颗粒位于硅柱之间的间隙中时，会观察到类似现象。由于模式分裂背后的机制不同，通过组合来自不同共振的所有信息，可以测量纳米粒子的尺寸和出现在传感器上的位置。
39.采用本实施例的微纳结构微环生物化学传感器，利用微纳结构对光场进行操控，并利用微纳结构引起的对称性缺失实现自参照测量，最终实现对被测物的高灵敏度检测，其灵敏度可达单分子级别，折射率灵敏度超过500nm/riu，表面灵敏度可达1 nm/nm。此外，可通过半导体加工工艺在芯片上大规模集成数百个传感器，实现多个样本的并行、低成本检测。
40.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。