干涉效應的微型傳感器

近年來人類在食品安全、生化檢驗、環境監測等領域對高性能傳感器的需求日益增長。集成微型傳感器由于具有尺寸小、靈敏度高、成本低和抗電磁干擾等特點，在生化傳感等片上傳感領域有著十分廣泛的應用。目前已發展起多種集成微型傳感器結構，例如Mach-Zehnder微型傳感器干涉儀、微諧振腔(微環、微碟、光子晶體微腔等)和表面等離子波導等傳感器。

在待測物作用下，光波導的有效折射率將發生變化，使傳感器件的光學響應譜線發生改變，通過分析光譜線型的漂移或某固定波長處光強度變化從而可獲得待測物的信息。傳統的Mach-Zehnder干涉儀結構簡單，自由光譜范圍( FSR )也較大，但是由于Mach-Zehnder干涉儀的光譜線型是正弦函數，因此對折射率的變化并不十分敏感。通常為了改善Ma ch -Zehnder型傳感器的傳感靈敏度需增加兩干涉臂的長度以增強待測物和光波導的作用，不利于傳感單元器件的微型化。微環諧振腔傳感器具有較高的品質因子( Q值)，其諧振譜線呈較尖銳的洛倫茲線型，易于檢測由待測物作用引起的諧振波長漂移或強度變化。但是，由于微環諧振腔的Q值與其尺寸和FSR存在制約關系(直徑越大則Q越大、但FSR越小)，使得微環諧振腔的測試范圍受到限制，也不利于器件的微型化和減少測試時對待測物的耗費。

光子晶體微腔則是另一類極具潛力的傳感單元結構，它在獲得高Q值的同時可滿足少模或單模條件，使其測試范圍不受FSR限制。光子晶體微腔尺寸極小，具有比其他光學微腔更低的模式體積( V值為(λ/n )3量級)，使得腔中光與待測物的相互作用大大增強，可有效的提高傳感器靈敏度。但由于目前工藝水平限制，實際制作出的光子晶體微腔Q值比設計的Q值要低很多，而在待測物作用環境下其Q值由于吸收、散射等影響又會進一步降低，因而實際的傳感器的靈敏度有待進一步提高。

為了解決背景技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于周期波導微腔諧振干涉效應的集成微型傳感器，易于制作，結構簡單緊湊、靈敏度高、測試范圍寬，且對待測物耗費少。

本發明采用的技術方案是：包括輸入波導、輸出波導、參考臂、傳感臂、輸入耦合區和輸出耦合區；參考臂和傳感臂兩端分別在輸入耦合區和輸出耦合區相耦合；信號光源經輸入波導連接到輸入耦合區，輸出耦合區經輸出波導與信號光檢測器相連，傳感臂具有周期波導微腔結構，是一種周期單元沿傳感臂方向排列的一維光子晶體微腔結構。該周期性波導微腔結構采用含有沿傳感臂方向周期排列且以傳感臂中間對稱的多個小孔的波導結構。

該發明中輸入耦合區和輸出耦合區為Y分叉耦合器、3dB定向耦合器或多模干涉耦合器。周期波導微腔的波導寬度不變，小孔直徑由位于傳感臂中間的小孔向兩側耦合區端的小孔等間隔遞減。小孔為圓形孔、方形孔，尺寸不變，波導寬度由中間向兩側呈二次曲線遞增或遞減。

當光通過微型傳感器時，若待測物的折射率發生變化周期波導微腔的諧振態會發生改變，其諧振波長的變化進而會引起兩臂干涉的光譜線型變化。由于周期波導微腔所在傳感臂上通過的諧振態光波和參考臂上通過的連續態光波干涉會產生極其尖銳的非對稱Fano譜線，因此通過監測和分析干涉波譜的漂移或是譜線極值點附近某固定波長的功率變化極易獲得待測物的濃度、成分等信息。