[发明专利]基于微腔Fano共振的传感方法及装置

说明书

本发明提出一种于轴对称光学微腔的Fano共振传感装置，包括轴对称光学微腔和耦合波导，轴对称微腔为柱型，包括直筒型实心圆柱微腔，直筒型空心圆柱微腔，微泡状(microbubble)实心柱形微腔，微泡状空心柱形微腔，微环腔，金属包覆柱形微腔等；微腔的材料是二氧化硅，高分子聚合物，光学晶体，半导体材料等；耦合波导是直径为0.5～1.5微米的光纤锥，高折射率的耦合棱镜，片上集成波导等。微腔中离散的高阶回音壁模式与连续的背景光相消干涉，能够稳定、有效的产生动态变化的Fano共振谱。

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，更具体的说是基于微纳结构上的Fano共振传感技术。

背景技术

生物化学传感技术作为生命科学大学科背景下的重要方向，一直是研究的热点。目前，生物分子的检测技术以传统的分析方法即化学法为主，常常包括了一系列繁琐的操作过程，而且周期较长，远不能适应实际需求。20世纪末，科学家就开始了对专一性强、灵敏度高、操作简便的传感检测技术的研究。近年来得益于生命科学、分析化学、物理学和信息学等领域的交叉发展，基于微纳结构的生物传感器的研究成为众多学者关注的热点。

Fano resonance(FR)概念起源于量子物理领域，于1961年被意大利裔美国科学家Ugo Fano提出。处于离散激发态的电子和具有相同能级的连续态发生量子干涉时，会产生非对称的共振谱型，也就是以Fano命名的FR。后来，FR概念由量子物理领域引入到经典光学领域，引起了各国科学家的关注和探索。在经典光学中，连续的背景散射光和离散的共振散射光相消干涉会产生非对称的Fano共振谱型。在共振点附近，相位和幅度的急剧变化使得FR在慢光与快光，光开关，生物化学传感，非线性光学等领域具有广阔的应用前景。为此，科学家们在光子晶体，半导体系统，等离子微结构，光学微腔等各种物理结构上展开了大量研究，力求以简单的结构稳定的激发出FR谱型，并应用到相关领域。

在各种微结构中，回音壁模式(whispering gallery mode,WGM)光学微腔具有超高的品质因子(Q值)和极小的模式体积，吸引了全球众多研究小组在WGM微腔中研究FR的激发与应用。根据已经发表的文献记载，在WGM微腔中，激发FR的途径有三种。第一：高Q值模式和低Q值模式的干涉：通过直接耦合的微腔组合，间接耦合的微腔组合，亦或是单个微腔中模式干涉都可以实现FR的激发。第二：高Q值模式和混沌模式的干涉：北京大学肖云峰研究小组在《Tunneling-induced transparency in a chaotic microcavity》中利用自由空间光在变形(deformed)微腔中同时激发高Q值WGM模式和混沌模式，两者的相消干涉产生动态变化的FR；第三：动态调节微腔内增益(或损耗)或者微腔之间耦合强度。华盛顿大学的LanYang研究小组通过在WGM微腔中掺杂铒离子，利用泵浦光在微腔中产生动态增益，实现了动态FR的激发。