[发明专利]一种谐振腔增强的单片集成传感器及测量方法

说明书

本发明公开一种谐振腔增强的单片集成传感器及测量方法，传感器包括谐振腔、二维材料层、电极、绝缘包层、耦合器、单色激光器、光电探测器、波导、绝缘层和衬底层；所述的绝缘包层和二维材料层从下到上依次位于谐振腔上方，所述的绝缘层和衬底层从上到下依次位于谐振腔下方，所述的波导与谐振腔位于同一层，且位于谐振腔的一侧；所述的电极设有两个，其中一个位于波导上，另一个位于二维材料层上，所述的耦合器置于波导的两端，所述的单色激光器和光电探测器分别连接耦合器。该传感器能够用于片上检测生物化学分子引起的波导环境折射率变化或是用于片上检测生物化学分子的吸收光谱。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种谐振腔增强的单片集成传感器和测量方法。

背景技术

由于具有CMOS兼容的制造工艺以及低功耗的优点，石墨烯-硅基集成光路在过去的几年中受到了广泛的关注。一方面，波导中传播光通过倏逝场与集成在波导表面的石墨烯发生相互作用，克服了单层石墨烯对垂直入射光吸收弱的缺点。另一方面，通过外加电场改变石墨烯的费米能级，可以调节波导中传播光的强度和相位，实现光场调制。因此，石墨烯-硅基集成光路被广泛的用于开发片上集成的电光调制器，光电探测器和传感器。

此外，在中红外光谱范围内，生物化学分子吸收光子实现本征振动能级跃迁，在生物化学分子传感领域具有广泛的应用。进一步通过与硅基光子学技术相结合，我们可以极大的减小生物化学分子传感的尺寸、成本及能耗。硅基集成的生物化学分子传感器还可以与其他片上电子元件集成，实现进一步的信号处理和通信，具有非常广泛的应用前景。目前，在硅基集成的光学生物化学分子传感器中，微环谐振腔发挥了重要的作用。在以前的研究中，为了测量微环谐振腔，我们通常需要采用可调谐中红外激光器或者红外光谱仪。然而，此类仪器的体积较大，难以集成在芯片上，因此限制了微环谐振腔在单片集成传感器方面的应用。

针对中红外微环谐振腔及在生物化学分子传感方面的应用，科研工作者进行了广泛的研究。在论文方面，2008年，美国康奈尔大学Jacob T.Robinson等人研究了利用硅微环谐振腔对室温下气体成分和压力检测的片上系统(Optics Express,16,6,4296)，测量了由于乙炔气体和压力共同引起的共振波长的移动。2012年，意大利巴里理工大学VittorioM.N.Passaro等人研究了一种基于中红外游标效应的光子气体传感器设计方法(Sensorsand Actuators B:Chemical,168,402,2012)，分析了基于多个微环形谐振腔的设计方法，在中红外工作波长范围内，探测器灵敏度达到10⁵nm/RIU，探测下限达到10^-5RIU，可以检测到空气中非常微量的甲烷和乙烷。2015年，上海科技大学冯吉军等人研究了用于光学传感的T形悬浮氮化硅环形谐振腔(IEEE Photonics Technology Letters,27,15,1601)，增强了波导传播光与气体的作用。然而，上述研究均未采用单波长激光测量微环谐振腔的特性，并实现传感应用。

在专利方面，2017年，电子科技大学王卓然等人设计了一种基于硅基一维光子晶体的微环光子生物传感器，该生物传感器采用在微环谐振腔上刻蚀一维光子晶体，通过测量分裂开的两个峰值之间相对距离的变化来探测溶液折射率和浓度的变化信息，申请了中国发明专利(201710873081.X)。2017年，吉林大学的郑传涛等人设计了一种中红外双狭缝波导微环谐振腔光谱气体传感器及其使用方法，并申请了中国发明专利(201711155633.X)。2018年，天津大学张平等人设计了一种可实现双传感应用的微环谐振腔结构，其中，微环谐振腔的结构能够同时测量周围环境折射率的变化以及谐振腔所受载荷的大小，可以得到折射率或者压力单一因素变化对谐振波长偏移的影响，可应用于光子器件的生物传感，并申请了中国专利(201810286602.6)。然而，在以上关于微环谐振器的专利中，同样均未实现采用单波长激光测量微环谐振腔的特性，并实现传感应用。

综上所述，虽然微环谐振腔的测量方法及应用已经被广泛的研究，但是由于其测试仪器体积的限制，难以实现单片集成，一定程度上限制了微环谐振腔在传感器方面的应用。

发明内容