[发明专利]一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法，所述的双光栅反馈的超薄激光折射率传感器由上光栅层、增益层、下光栅层组成。该设计具有传统激光器的特征：低阈值、单纵模、小发散角，并且因为简单的结构，降低了制备和集成的难度，减小了量产的成本。同时，由于光栅结构的特殊性，激光器激发的波长与环境折射率有关，因此，该设计还具有对环境折射率探测的功能，其灵敏度达到221nm/RIU,品质因子达到4420RIU^‑1,对环境、生物、医疗、化学等领域的快速、实时、准确检测具有重要意义。

技术领域

本发明涉及有源传感器件设计及其应用，属于激光与传感技术交叉领域，具体涉及一种基于双光栅反馈的二维片上传感器设计方法。

背景技术

一维亚波长高对比度光栅(High Contrast Gratings,HCG)是一种结构周期小于入射光波长、偏振敏感的紧凑型光学元件，通过改变周期、厚度、占空比等结构参数可以控制其反射光谱特性，产生瑞利异常，共振异常，宽波段高反射等丰富的物理现象。HCG的高折射率材料通常为折射率大于2的半导体材料，而HCG的低折射率材料可以是气体、液体等低折射率的工作环境物质，从而使得光栅能够与所处环境有优良的交互性，因此，无论是在气体环境或是液体/溶液应用场景中，基于HCG所设计的传感器都有很好的应用潜力，也一直是光学传感器设计研究的热点之一。

HCG宽波段高反射镜优越的性能为垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical CavitySurface Emitting Laser)提供了一种简化设计、缩小尺寸的手段，使得HCG-VCSEL在3D传感、人脸识别、环境检测以及光通信等领域取得巨大成功。该种类激光器一般有三个部分，由悬浮HCG以及少量DBR(Distributed Bragg Reflector)构成上层反射镜，大量DBR构成下层反射镜，中间填充厚度为半波长整数倍的增益层构成谐振腔。尽管与全DBR的VCSEL相比，已经一定程度上减小了尺寸以及反射镜外延生长的难度，但是悬浮的HCG以及下层DBR的生长挑战依旧阻碍着其进一步发展。

激光即受激辐射的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation)，激光波长的变化在腔的形状和增益介质不变的情况下依赖于谐振腔和外界环境的折射率变化。在受激辐射状态下增益介质的增益补偿了辐射损耗和其它损耗，使得激光的线宽很窄，可小于1nm，具有很高的品质因子。

发明内容

本发明针对现有技术中HCG既对环境折射率变化敏感又能提供宽波段高反的特点，并且激光具有高相干、窄线宽输出的优势，将两者结合运用于光学传感器中，对环境、生物、化学等领域的实时、准确、快速检测有重要意义。因此，本发明提供了一种基于双光栅反馈的二维片上传感器及设计方法，HCG的结构特点以及丰富的光谱学特性，既能满足作为传感器与被探测体的交互的需求，又能组成激光谐振腔，而双侧HCG的使用既能减小器件尺寸，又能解决传统VCSEL大几十层DBR外延生长困难的问题，同时上下相同的HCG结构便于量产和集成。

一种基于双光栅反馈的二维片上传感器，为三明治结构，两侧为同结构光栅层，中间夹着增益层；在双侧光栅之间形成F-P谐振，在水平方向又存在导模共振，从而形成了谐振腔反射谱非对称的Fano线型；所述的光栅层为由外界环境充当低折射率材料的亚波长高对比度光栅结构，对垂直于折射率周期性变化的方向提供宽波段的高反射能力；由于双侧光栅的结构设计，在垂直方向形成了法布里珀罗谐振腔，经过泵浦激发的光在谐振腔内来回穿过增益层得到增益，从而引起受激辐射光放大；由于整个器件是亚波长结构，在光栅平面存在高阶衍射导致的导模共振，从而导致激射波长与环境折射率变化有关。泵浦光激发增益介质达到激射的条件后产生受激辐射；而待测体折射率的改变会直接导致谐振腔模式发生移动。

本发明的整个器件可以完全暴露在待测体中；待测体为气态或者液态等低折射率流动性物质。