[发明专利]片上光学微腔传感器及应用其的光学微腔耦合波导传感装置

说明书

本发明公开了片上光学微腔传感器及光学微腔耦合波导传感装置，该片上光学微腔传感器包括U型波导及其内耦合的微腔，U型波导的两直臂与微腔分别耦合而形成两个耦合点，U型波导的两个耦合点间的波导为传感波导，该传感波导经由两个耦合点中的一个与U型波导的输入波导相连接、经由两个耦合点中的另一个与U型波导的输出波导相连接，并且，该传感波导作为第一干涉臂与待测传感对象相互作用，微腔的与传感波导邻近的半周部分作为第二干涉臂而不与待测传感对象相互作用，由此，在耗散型传感机制下，根据基于干涉臂的光干涉所引起的谐振模式消光比的变化来获得待测传感对象的相应参数，因而获得了消除探测极限受限、排除近场相互作用限制等技术效果。

技术领域

本发明属于光学传感领域，具体涉及一种片上光学微腔传感器以及应用其在温度检测、成分分析等测量上的光学微腔耦合波导传感装置。

背景技术

光学传感具有非物理接触、非破坏、抗电磁干扰、感应传递速度快、检测对象多样和灵敏度高等一系列的优点，因而在化学分析、生物传感、温度检测、力学检测等领域都有重要的研究和实际应用价值。目前，光学传感通过以下的结构而得以实际应用，例如法布里-珀罗腔、光纤波导、表面等离子激元、回音壁模式微腔等。在这些结构中，回音壁模式微腔因其品质因数高、模式体积小而在灵敏度和探测极限方面表现优异，它是基于微腔的光学传感(即光学微腔传感)的重要传感构件。

通常，光学微腔传感装置主要包括激光器、微腔传感器和光电探测器。另外，光学微腔传感的主要传感机制有色散型传感和耗散型传感。其中，色散型传感探测谐振波长的变化，耗散型传感探测谐振模式线宽的变化。目前，基于色散型传感的微腔传感器通过级联多个微腔、利用游标效应等而使灵敏度提升，但其探测极限仍受到激光器频率噪声的限制；基于耗散型传感的微腔传感器只能适用于分析物与微腔的近场相互作用的情形，而且微腔容易受到污染而劣化，难以重复使用。即，现有的微腔传感器存在着探测极限受限于激光器噪声、适用场合有限、微腔容易受到污染等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种片上光学微腔传感器以及应用其的光学微腔耦合波导传感装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种片上光学微腔传感器，包括U型波导及其内耦合的微腔，其中，U型波导的两直臂与微腔分别耦合而形成两个耦合点，U型波导的两个耦合点之间的波导为传感波导，传感波导经由两个耦合点中的一个与U型波导的输入波导相连接、经由两个耦合点中的另一个与U型波导的输出波导相连接；传感波导作为第一干涉臂与待测传感对象相互作用，微腔的与传感波导邻近的半周部分作为第二干涉臂而不与待测传感对象相互作用，由此，在耗散型传感机制下，根据基于第一干涉臂和第二干涉臂的光干涉所引起的微腔的谐振模式消光比的变化来获得待测传感对象的相应参数。

在本发明的一些实施例中，微腔是回音壁模式微腔，优选是回音壁模式微环；另外，微腔与U型波导的功率耦合系数为0.45；微腔与U型波导的材料相同，优选材料为硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。

在本发明的一些实施例中，片上光学微腔传感器还包括保护层，该保护层设置在U型波导及其内耦合的微腔的上方，或者设置在片上光学微腔传感器的除传感波导以外的位置的上方。

在本发明的一些实施例中，片上光学微腔传感器还包括追加输出波导，其设置在微腔的与传感波导非邻近的另一半周部分，追加输出波导的直臂与微腔耦合；保护层设置在追加输出波导和U型波导及其内耦合的微腔的上方。

根据本发明的另一个方面，提供了一种光学微腔耦合波导传感装置，包括：光源；光纤偏振控制器，其输入端与光源的输出端相连接；上述的本发明实施例的不包括追加输出波导的片上光学微腔传感器，其输入端与光纤偏振控制器的输出端相连接；光信号处理显示机构，其输入端与片上光学微腔传感器的输出端相连接，而显示表示谐振峰涨落的光功率谱线。