[发明专利]一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构

说明书

本发明公开一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，由柔性衬底层、直波导、微盘谐振腔组成，单直波导与微盘型谐振腔集成在柔性衬底上，单直波导与微盘型谐振腔之间存在间隙，光信号从单直波导的一端输入后，经过两者的间隙区域发生耦合进入到微盘腔中发生谐振，光信号从直波导的另一端输出。本发明的微盘型谐振通过特定尺寸的设定，可以支持两种回音壁模式，由于这两种WGM模式在腔体内的电磁场能分布有差异，可实现对周围环境折射率与压力的双传感应用。在柔性光子器件的生物传感应用中，此种谐振腔结构可以有效的控制了力‑光耦合效应，解决了由于弯曲变形时压力因素对生物传感探测结果不准确的问题。

技术领域

本发明属于光子器件和传感技术应用领域，更加具体地说，具体涉及一种可实现折 射率与压力因素同时探测的微盘型谐振腔的结构。

背景技术

回音壁模式(WGM)谐振腔已经引越来越广泛的关注，其独特的特性已取得了令人瞩目的成就。特别是，当与光学传感技术结合使用时，基于WGM谐振腔的传感器具有 体积小，灵敏度高，抗电磁干扰和实时动态响应的优点。目前，这种类型的传感器已广 泛应用于生化传感领域，在环境保护，疾病监测和药物发现等领域中体现着至关 重要的作用。WGM模式是一种具有圆形结构的微谐振腔所支持的表面模式。基 于回音壁模式的光学谐振腔是一种利用光在腔体内传输时的全反射将光场限制在极小空 间区域内的光学系统，这样的结构使得满足谐振条件的特定波长的光在微腔内传输时可 以发生谐振，从而获得极高的品质因数。同时其具有超低的模式体积，使得器件谐振谱 线的线宽非常低，因此可探测出极其微小的探测物的变化。基于回音壁模式的微盘谐振 腔与其他传感器相比具有更明显的优势。

多数光学生物传感器是利用光场倏逝波来实现对目标分析物的探测。探测行为发生 前，传感器位于生物缓冲液中，当目标分析物与生物识别分子特异性结合时，由于目标分析物与生物缓冲液分子的折射率不同，传感器表面附近的折射率将发生改变，这种变 化被分布在传感器表面附近的倏逝波检测到，并作为生物传感的探测结果。当集成光学 谐振腔的柔性光子器件用于生物传感，并发生弯曲等机械变形时，谐振腔径向剪切应力 引起腔体尺寸的变化，同时由于力-光耦合效应会引起腔体有效折射率的变化，因此将会 导致谐振波长的偏移，这就引入入非生物因素的影响，严重降低了探测结果的准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决柔性光子器件在生物传感应用中由于 力—光耦合效应造成的探测误差的问题，本发明提供了一种可实现双传感应用的微盘谐 振腔结构，同时检测周围环境折射率以及谐振腔所受压力的变化，作为折射率传感器和压力传感器一同使用，实现了双传感应用。

为了实现上述技术目的，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构，由柔性衬底层、 单直波导和微盘型谐振腔组成，单直波导以及微盘型谐振腔均位于柔性衬底层上，微盘 型谐振腔与单直波导之间存在间隙处；在单直波导的两端分别设置单直波导输入端和单 直波导输出端，整个微盘型谐振腔为一个圆柱结构，半径2μm，高度为230nm；单直波 导的截面为矩形，宽度为390nm，高度为230nm，微盘型谐振腔与单直波导的耦合间隙 为90nm；光从单直波导入口输入并在微盘型谐振腔和单直波导之间的间隙处通过耦合进 入到微盘型谐振腔；在微盘型谐振腔内部形成支撑两种WGM模场的谐振模式，分别为 靠近微盘半径外部边缘的一阶模式与靠近微盘半径内部的二阶模式。

而且，采用折射率为1.56的SU-8作为传感系统的柔性衬底材料。

而且，采用折射率为3.47的Si作为单直波导与微盘型谐振腔的材料。

利用该种微盘型谐振腔结构实现折射率与压力的双传感的方法，其特征在于，利用 微盘中两种不同WGM模式对于折射率与压力因素变化的灵敏度不同，在已知两种WGM 模式对应谐振波长偏移的条件下，采用二阶灵敏度逆矩阵，可以同时检测出谐振腔周围 环境折射率的变化以及所受压力的改变，如下：