一种基于跑道型微环谐振器的Fano折射率传感器的制作方法

本发明涉及一种基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器，属于光传感的技术领域。

背景技术：

soi光学传感器有许多的优势，例如响应速度快、稳定性高、防电磁干扰、低损耗、结构紧凑等，已经被应用到许多领域，例如药物分析、食品安全检控、环境监测等方面。

soi传感器有许多类型，例如光子晶体传感器、马赫泽德传感器、微环谐振器传感器。其中微环谐振器传感器具有结构紧凑、尺寸小，制作工艺简单，可以与很多集成光学器件级联，更易实现集成的优点。

同时，灵敏度和品质因子是判断微环谐振传感器质量的两个非常重要的因素，现有技术的微环谐振传感器灵敏度和品质因子已达到瓶颈阶段，需要进一步的提升，满足更高的使用要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器，具备高品质因子和高灵敏度，同时集成化和小型化。

技术方案：本发明提出一种基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器，包括一个直线信道波导、两个闭合跑道型波导和一个断口跑道型波导；两个闭合跑道型波导位于直线信道波导同侧，且每个所述闭合跑道型波导均包括平行的第一上直道段和第一下直道段；每个所述闭合跑道型波导的第一上直道段均与直线信道波导耦合，形成两段上耦合区域；所述断口跑道型波导包括平行的第二上直道段和第二下直道段；每个所述闭合跑道型波导的第一下直道段均与第二上直道段耦合，形成两段下耦合区域；且第二上直道段中位于两段下耦合区域之间的部分设置有断口。

进一步，所述直线信道波导、闭合跑道型波导和断口跑道型波导均为光栅结构。

进一步，所述直线信道波导、闭合跑道型波导和断口跑道型波导的光栅结构的构造相同。

进一步，所述上耦合区域和下耦合区域的耦合间距均相同。

进一步，所述直线信道波导两端的输入端和输出端设置有渐变结构。

进一步，所述直线信道波导、闭合跑道型波导和断口跑道型波导的材质均为soi。

进一步，两个所述闭合跑道型波导的形状尺寸相同。

有益效果：1、本发明基于微环谐振器，结构紧凑，有效减小了整体器件的体积；

2、本发明采用全光栅结构，增强了解析物与传感器之间的相互作用，从而使传感器灵敏度有很大提升；输入的光在传感器中经过不同的路径，最终在输出端干涉从而形成尖锐的fano线形，实现高灵敏度，高品质因子，低误差的液体折射率检测功能。

附图说明

图1为本发明的基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器中光传输路径解析示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为直线信道波导的结构图；

图4为本发明的基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器中光传输路径1的示意图；

图5为路径1的光在b0处的传输谱线图；

图6为本发明的基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器中光传输路径2的示意图；

图7为路径2的光在b0处的传输谱线图；

图8为路径1的光和路径2的光在b0处各自的传输谱线图；

图9为占空比为0.5，耦合间距为510nm下光在b0处的输出谱线图；

图10为占空比为0.5，耦合间距为530nm下光在b0处的输出谱线图；

图11为占空比为0.5，耦合间距为550nm下光在b0处的输出谱线图；

图12为占空比为0.5下光在b0处的输出谱线图；

图13为占空比为0.6下光在b0处的输出谱线图；

图14为占空比为1下光在b0处的输出谱线图；

图15为图12状态下的光在b0处随着折射率的变化而发生的谱线偏移图；

图16为图13状态下的光在b0处随着折射率的变化而发生的谱线偏移图；

图17为图14状态下的光在b0处随着折射率的变化而发生的谱线偏移图；

图18为直线信道波导的传输光谱示意图；

图19为谐振波长和折射率改变之间的关系图。

具体实施方式

本发明的一个实施例，如图1和图2所示，一种基于跑道型微环谐振器的fano折射率传感器，包括一个直线信道波导、两个闭合跑道型波导和一个断口跑道型波导。所述直线信道波导、闭合跑道型波导和断口跑道型波导均为soi材质的光栅结构，且光栅结构均相同。

如图3所示，直线信道波导的结构图，直线信道波导两端的输入端和输出端设置有渐变结构，减少耦合损耗。

两个闭合跑道型波导的形状尺寸相同，位于直线信道波导同侧，且每个所述闭合跑道型波导均包括平行的第一上直道段和第一下直道段，第一上直道段和第一下直道段的长度均为l。每个所述闭合跑道型波导的第一上直道段均与直线信道波导耦合，形成两段上耦合区域。每个所述闭合跑道型波导还包括两段连接在第一上直道段和第一下直道段之间的第一圆弧跑道段，且第一圆弧跑道段为180°圆弧，半径为r。

所述断口跑道型波导包括平行的第二上直道段和第二下直道段；每个所述闭合跑道型波导的第一下直道段均与第二上直道段耦合，形成两段下耦合区域；且第二上直道段位于两段下耦合区域之间的部分设置有断口。断口跑道型波导还包括两段连接在第一上直道段和第一下直道段之间的第二圆弧跑道段，第二圆弧跑道段为180°圆弧，半径为r。

两个闭合跑道型波导左右布置，左侧闭合跑道型波导的第一上直道段的两端点依次为a0,b1；左侧闭合跑道型波导的第一下直道段的左侧端点为b2；右侧闭合跑道型波导的第一上直道段的两端点依次为a1,b0；右侧闭合跑道型波导的第一上直道段的右侧端点为a2。

入射光从直线信道波导的左侧输入，进入直线信道波导与左侧闭合跑道型波导的第一上直道段的耦合区域，然后光分为两个路径：

其中一部分光沿左侧闭合跑道型波导环绕一周，继续沿着直线信道波导传输；然后进入直线信道波导与右侧闭合跑道型波导的第一上直道段的耦合区域，沿右侧闭合跑道型波导环绕一周，继续沿着直线信道波导传输，并从直线信道波导的右侧输出，该路径称为路径1；其中b1至a1的路径长为p1。

另一部分进入左侧闭合跑道型波导的第一下直道段与断口跑道型波导的第二上直道段的耦合区域后，沿着断口跑道型波导传输；直至进入断口跑道型波导的第二上直道段与右侧闭合跑道型波导的第一下直道段的耦合区域后，沿着右侧闭合跑道型波导传输；直至进入右侧闭合跑道型波导与直线信道波导的第一上直道段的耦合区域后，继续沿着直线信道波导传输，并从直线信道波导的右侧输出，该路径称为路径2；其中b2至a2的路径长为p2。

本实施例中光栅结构的波导的模式传输常数为β，模式损耗系数为α，虚数单位为j，因此对应的复传播常数为(β-jα)；

因上耦合区域和下耦合区域的长度均为l，上耦合区域和下耦合区域的相位改变均为ψ＝l(β-jα)；

圆弧跑道段的波导的相位改变为φ＝πr(β-jα)；

上耦合区域和下耦合区域的耦合系数均为k；上耦合区域和下耦合区域的传输系数均为t。

如图4所示，路径1的光从a0到b1的光传输，如公式1所示，其中，和分别是b1和a0监测点的光信号振幅强度

路径1中，b1至a1部分波导的相位改变为ψ1＝p1(β-jα)，则b1至a1的传输方程为q1＝exp(-jψ1)；

则路径1的光在b0点的振幅如公式2所示

由公式2，路径1的光在b0点的传输可分解为以下三部分

其中第一部分的光传输是连续模式，而第二和第三部分的光传输是离散模式；

公式2所对应得路径1的光在b0处的传输谱线图如图5所示。

如图6所示，路径2的光从a0到b2的光传输，如公式3所示，其中，eb2是b2监测点的光信号振幅强度

路径2中，b2至a2部分波导的相位改变为ψ2＝p2(β-jα)，则b2至a2的传输方程为q2＝exp(-jψ2)；

则路径2的光在b0监测点的振幅如公式4所示

图7为路径2的光在监测点b0处的传输谱线图，这个谱线图对应于一个离散模式。

图8表示路径1的光和路径2的光在b0处各自的传输谱线，总的输出是这两部分的叠加，因为总的输出是离散模式和连续模式的叠加，所以会产生fano共振，一个fano线形的输出谱线会被获得，如公式5所示：

因此，本发明可以获得尖锐的线形，便于光信号的探测。

在仿真时，r选为10μm，因为此时仿真的光栅弯曲损耗小于9db/cm，而且可以满足器件小型化；l为6μm,p1和p2分别为42μm和160.8μm。

仿真中本发明的光栅的周期为200nm，光栅占空比设为0.5，波导的宽高分别为220nm和0.6μm。在这些参数条件下，我们从图18所示的直线信道波导的传输光谱示意图中可以看出，光栅长度大于100μm时传输损耗为0.02db，可以忽略不计，这意味着光传输在这种光栅结构中传输的损耗是可以忽略不计。

为了增强传感器和待测物质的相互作用，不同占空比的光栅结构被仿真，当占空比为0.5，本发明中所有耦合区域的耦合间距分别为510nm,530nm和550nm时,相对应的输出谱线也就是fano线形分别如图9、图10和图11所示。

当耦合间距为530nm时，得到的谱线图中谱线的3db带宽最小仅为0.25nm,最大消光比为21.53db,此时的共振波长是1509.24nm如图12所示，这时包层的折射率设定为1.3330，正是纯水的折射率。

相似的，图13是当折射率为1.3330，占空比为0.6，耦合间距为470nm时，得到的谱线图中一个尖锐的fano线形出现了，3db带宽为0.26nm,最大消光比为18.1db,共振波长是1544.99nm。

而图14是当折射率为1.3330，占空比为1，也就是用普通波导，耦合间距为220nm，得到的谱线图的3db带宽是0.29nm，最大消光比是19.75db,谐振波长是1674.04nm。

从仿真结构来看，本发明选用占空比为0.5，耦合间距为530nm能获得比较高的消光比的同时，保证3db带宽很窄，仅为0.25nm。

本发明用来探测待测液体的折射率改变。仿真时，设置包层折射率从1.3330开始，以0.0002为步长，逐步增加到1.3338。

图15对应图12中的谱线随着折射率的变化而发生的谱线偏移；图16对应图13中的谱线随着折射率的变化而发生的谱线偏移；图17对应图14中的谱线随着折射率的变化而发生的谱线偏移。

我们从中可以看出随着折射率的增大，谱线逐渐红移。评价传感器性能好坏的其中一个重要因素是灵敏度，灵敏度的定义如公式6所示，δλ代表谱线偏移量，δn代表折射率改变量。

把1.3330设为参考折射率，图19显示了谐振波长和折射率改变之间的关系，图中显示了近乎完美的线形，当f为0.5时，传感器的灵敏度可以按照公式7来计算：

当占空比为0.6时和1时，总体的谱线偏移量分别为0.36nm和0.08nm，正如图9所示，因此，这两种情况对应的灵敏度分别为450nm/riu和100nm/riu。仿真结果表明当占空比为0.5时，可以获得最大灵敏度。

另外一个衡量传感器好坏的重要的因素是品质因子fom(figureofmerit),fom的定义如公式8所示，其中fwhm表示半峰全宽，s代表灵敏度。

本发明在占空比为0.5时，fano线形的fwhm为0.25nm，根据公式8可得fom为2000riu^-1。

综上，本发明采用全光栅结构，增强了解析物与传感器之间的相互作用，从而使传感器灵敏度有很大提升；输入的光在传感器中经过不同的路径，最终在输出端干涉从而形成尖锐的fano线形，实现高灵敏度，高品质因子，低误差的液体折射率检测功能。