[发明专利]一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器

说明书

本发明公开了一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器，该液体折射率传感器包括直波导和嵌套型微环谐振器，嵌套型微环谐振器由外圈第一环型波导(3)和内圈第二环型波导(4)嵌套组成，外圈第一环型波导(3)和内圈第二环型波导(4)之间通过波导对波导且带有间距的连接形成耦合区(5‑2)；直波导位于外圈第一环型波导(3)的外侧，与外圈第一环型波导(3)构成带有间隔的耦合区。本发明有效减小了现有液体折射率传感器的体积，可提供高灵敏度，高品质因子，低误差的液体折射率检测，可以在光子集成设备中获得应用。

技术领域

本发明涉及一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器，属于光传感的技术领域。

背景技术

随着社会高速发展，身为信息技术三大支柱之一的传感技术越来越渗透到人们的生活中；同时，在基础研究、医学诊断、环境检测等方向都对液体传感技术提出了更高的需求，传统的传感器体积较大，渐渐不能满足市场对于集成化、小型化的需要。

基于绝缘体衬底上硅材料(SOI，Silicon on Insulator)的集成光学，继承了数十年集成光路的发展成果，是实现传感器集成化小型化的理想方法。SOI材料具有以下优点：(1)高折射率差，对C波段的电磁波具有较强限制能力；(2)低传输损耗，模式特性和偏振性好；(3)与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，可直接使用现有的CMOS工艺平台加工；(4)结构紧凑，波导尺寸和弯曲波导半径可以做到很小，易于大规模集成；(5)针对市场需求而言，与III-V族材料的光学器件相比，硅基光学器件具有性价比优势。因此，SOI是制造结构紧凑的集成光子传感器件的理想材料。

在光子传感器方面，基于马赫曾德尔干涉仪(MZI)、光栅耦合器、平面光波导以及微环谐振器的传感器已经被证明有良好的传感表现。其中，基于微环谐振器的光子传感器受益于结构紧凑、高品质因子、高灵敏度、易于集成为传感阵列等优点，已经成为光子传感器件的重要组成部分。

在微环谐振器型光子传感器中，受益于微环谐振器中光子的谐振，光子在波导里的寿命增加，通过波导的有效长度也大大增长。嵌套环使得波导间强烈的耦合使得光子受外界液体的影响大大增强，提高检测灵敏度。跑道型结构使得波导与微环的耦合系数增大耦合间隔减小，并且更易达到临界耦合状态，增大陷波深度，使得噪声对光谱检测的影响大大减小。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器，该传感器克服了现有技术中传感器难以同时满足集成化小型化和高品质因子、高灵敏度的缺陷。

技术方案：一种基于嵌套型微环谐振器液体折射率传感器，该液体折射率传感器包括直波导和嵌套型微环谐振器，嵌套型微环谐振器由外圈第一环型波导和内圈第二环型波导嵌套组成，外圈第一环型波导和内圈第二环型波导之间通过波导对波导且带有间距的连接形成第二耦合区；直波导位于外圈第一环型波导的外侧，与外圈第一环型波导构成带有间隔的耦合区。

其中：

所述的直波导为两个单模直波导，二者对称平行分布于外圈第一环型波导的上下两侧，作为顶部直波导和底部直波导，且与外圈第一环型波导处于同一平面，底部直波导与外圈第一环型波导构成带有间隔的第一耦合区，顶部直波导与外圈第一环型波导构成带有间隔的第三耦合区，且第一耦合区和第三耦合区的间隔距离相同。

所述的嵌套型微环谐振器由外圈第一环型波导和内圈第二环型波导嵌套组成中，外圈第一环型波导和内圈第二环型波导形状相同，切嵌套方式为几何中心重叠嵌套。

所述的外圈第一环型波导和内圈第二环型波导均为跑道型环型波导。

所述的直波导、外圈第一环型波导和内圈第二环型波导的宽度为300nm～450nm。

所述的直波导、外圈第一环型波导和内圈第二环型波导波导的材料均为SOI材料，即绝缘体衬底上硅材料，且绝缘体衬底上硅材料中顶层硅的厚度为200nm～250nm。