[发明专利]一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器

说明书

技术领域

本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光生化传感技术领域，特别涉及一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器。

背景技术

进入二十一世纪以来，随着科技的日新月异，人们的生活水平得到不断改善，但同时也伴随着越来越多的环境问题日益突出，尤其是近年来受到雾霾天气的影响，人们开始关注与自身健康密切相关的方面，如环境监测、疾病医疗等，对食品、医药、水质的安全需求也显著增加。同时，在军事战场上，生化武器作为一种新型的智能化武器逐渐应用到现代战争中。因此，无论是关乎到民生的环境、医疗问题还是军事上都迫切需要一种能对生物化学成分快速准确检测分析的器件或者系统，正是这些需求，极大的促进了光子生化传感器的应用和发展。

微纳光子生化传感器是一种以生物或化学组分为敏感基元，以光信号为载体，对目标检测物具有高度选择性和高灵敏度的检测器件。与其它物理信号相比，光信号具有灵敏度高、抗电磁干扰强、噪声低等特点，因此光学生化传感器与其它传感器相比具有高稳定性和高灵敏度的优势，被广泛认为是非常具有发展前景的生化传感器。目前已商用的微纳光子生化传感器中大部分都是利用光谱学、荧光标定和表面等离子共振等来检测特定生物或化学组分以及相关化学反应的存在。然而，由于大部分器件难以制造，并且操作繁琐，很难做成移动便携式传感检测系统。在小型化便携生化传感器的研发中，基于SOI平面波导的生化传感器发展十分迅速，由于其具有尺寸小、灵敏度高、易集成化、成本低、选择性好等优点而受到广泛关注。硅光子器件由于具备与成熟的CMOS工艺相兼容的特点，非常适合光子集成领域的光互联。

但现有的单一马赫曾德耦合微环传感结构探测范围小，器件制作难度大且难以实现器件小型化和便携化。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种集成了双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的传感器结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层包含同一平面内的U形波导和环形谐振腔，U形波导包括依次连接的第一耦合直波导、第二耦合直波导、第一圆弧连接波导、第三耦合直波导、第四耦合 直波导、第二圆弧连接波导、第五耦合直波导和第六耦合直波导；环形谐振腔包括第一半环波导、第一圆弧波导、第二半环波导、第二圆弧波导、第三半环波导、第三圆弧波导、第四半环波导和第四圆弧波导，它们首尾相连形成环形谐振腔；所述第一耦合直波导、第二耦合直波导和第二半环波导构成第一耦合器，第三耦合直波导、第四耦合直波导和第三半环波导构成第二耦合器，第五耦合直波导和第六耦合直波导和第四半环波导构成第三耦合器。

优选地，第二耦合直波导、第一圆弧连接波导、第三耦合直波导、第二半环波导的左半部分、第二圆弧波导和第三半环波导的上半部分构成第一马赫曾德干涉仪，第四耦合直波导、第二圆弧连接波导、第五耦合直波导、第三半环波导的下半部分、第三圆弧波导和第四半环波导的左半部分构成第二马赫曾德干涉仪。

优选地，第一半环波导、第一圆弧波导和第四圆弧波导构成反馈回路。

优选地，所述第一圆弧连接波导和第二圆弧连接波导均为圆环的四分之一圆弧。

优选地，所述第一半环波导、第二半环波导、第三半环波导和第四半环波导为半径相等的圆环的二分之一圆弧。

优选地，所述第一圆弧波导、第二圆弧波导、第三圆弧波导和第四圆弧波导为半径相等的圆环的四分之一圆弧。

优选地，所述U形波导和环形谐振腔为无源脊形波导或条形波导。

本发明的有益效果：本发明所提供的基于游标效应的马赫曾德调制型谐振腔传感器，与传统的单一马赫曾德耦合微环传感结构相比，采用这种级联双马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的传感结构能对环形谐振腔进行二次调制，使马赫曾德干涉仪和环形谐振腔的频谱有效的叠加在一起，这样可以基于游标效应提高对准精度，从而有效提高器件的灵敏度，实现大的动态范围的探测。另外采用这种结构化的集成不仅能缩小器件的总体尺寸，便于器件的微型化和阵列化，而且还能显著的扩展器件的准自由光谱范围。

附图说明

图1是本发明马赫曾德调制型谐振腔传感器的截面图；

图2是本发明马赫曾德调制型谐振腔传感器的俯视图；

图3是本发明实施例的马赫曾德调制型谐振腔传感器的传输谱示意图；