基于硅周期波导微腔Fano谐振特性的片上传感单元及阵列

Conventional photonic sensors which rely on interference or resonance are limited by their size, sensitivity and multiplexing ability. It's therefore new physical mechanisms are very desirable and promising for designing high-sensitivity sensor. This project propose a Fano resonant structure which composed of side-coupled slotted silicon nanobeam cavities. Base on sharp Fano resonance spectrum of the proposed structure, we believe that higher-sensitivity sensing cells could be implemented. The nanobeam cavities have the ability to enhance the interaction of light and objects, because of their high quality factor (Q) and ultrasmall modal volume (V). This study will stimulate those who design ultracompact high-sensitivity on-chip sensor, as well as elemental device physics .

传统干涉型或微腔谐振型折射率传感器在尺寸、待测物耗量、灵敏度和多通道复用等方面受到限制，因此需要利用新的物理机制来设计新型传感器件。本项目设计一种狭缝周期波导微腔和Fabry-Perot波导腔的侧向耦合结构，利用其产生的Fano谐振效应构建高灵敏度片上传感单元。狭缝周期波导微腔兼备尺寸小(<10μm)、模式体积低(V～10^-2 (λ/2n)^3)和品质因子高(Q>10^5)的优点，可有效地增强检测光与待测物相互作用；Fano谐振产生的非对称谱线具有比余弦谱或洛仑兹谱线型更陡峭的斜率和更高的消光比，则能进一步提高检测灵敏度。本项目拟开展该耦合结构及其传感特性的深入研究，阐明待测物特性对耦合结构谐振特性的影响规律，探索针对Fano谐振谱特征的器件设计和检测方法，并基于SOI平台制作传感单元和阵列以实现多通道复用传感。本项目的完成将为新型片上传感单元的设计提供一种新思路和器件物理基础。

集成光传感器单元是构成片上实验室等传感应用芯片的重要基础。本项目研究了一类基于硅周期波导微腔的传感器设计及相关集成器件，利用周期波导结构极其紧凑，高Q值和低模式体积的特点，可以进一步发展多通道复用传感器阵列。系统地研究了单周期波导微腔片上传感单元的设计方法，理论研究结果表明，基于周期波导微腔的生化传感器即使在考虑水对信号光波吸收的情况下，传感灵敏度可以达到10^3 nm/RIU左右，检测极限可接近10^-6RIU；基于电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀，我们设计并验证了基于深刻蚀工艺的大容差周期波导微腔和基于侧向耦合的空气模式周期波导微腔，Q值高达2*10^4，器件插入损耗优于-0.5dB；设计并验证了一种新型Fano谐振结构，结构上只需要一个波导反射镜，进一步减小了双反射镜结构的插入损耗；为了获得多通道的传感复用，我们提出并实现了一种基于反对称周期结构模式转换的通道上下路滤波器，器件插入损耗优于-2dB。