科研进展简报

亚波长光栅微环腔Fano谐振实现高灵敏度复折射率传感

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:光电子器件与集成功能实验室    发布时间:2017年09月11日

        集成光学微腔具有很高的谐振品质因子和极小的体积,可在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用,在生物化学传感方面具有广阔应用前景。然而,传统的集成光学微腔传感器仅依靠光谱的漂移来测量环境折射率改变,只能用于单一被探测物的实折射率传感,无法用于多种被探测物的同时检测,极大的限制了集成微腔传感器在复杂传感中的应用。

        为解决上述瓶颈问题,武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室郜定山副教授、硕士生涂正瑞等人,提出一种基于硅基亚波长光栅结构微环的复折射率传感器(如图1所示)。通过微环回音廊谐振模与亚波长波导法布里-珀罗谐振模之间的干涉,产生非对称的Fano谐振谱线。利用Fano谱线的峰值波长漂移来检测折射率实部改变,同时利用Fano谱线的斜率来测量折射率虚部改变,从而实现对多种混合物质的复折射率传感(如图2所示)。

        该新型传感器利用亚波长光栅波导的结构特点,显著增强了光与物质的相互作用,同时利用Fano谱线的陡峭特点,大大提高了复折射率传感灵敏度。对葡萄糖溶液的传感结果表明,该传感器对折射率实部的传感灵敏度为366nm/RIU,而对折射率虚部的传感灵敏度则高达9700/RIU。该传感器可利用标准CMOS工艺批量制作,可望进一步实现阵列化,从而能够同时探测多种目标物质或分子。

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图1 基于硅基亚波长光栅波导的微环谐振器

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图2 亚波长光栅微环腔Fano谱线的负折射率传感特性 (a)谱线峰值波长随折射率实部改变发生漂移 (b)谱线斜率随折射率虚部改变

        2017年8月18日,该成果以题目”High-sensitivity complex refractive index sensing based on Fano resonance in the subwavelength grating waveguide micro-ring resonator” 在线发表在美国光学学会(OSA)旗下杂志Optics Express上 (Volume 25, Issue 17, pages 20911-20922, 2017)。该工作得到了国家自然科学基金(11374115, 61261130586)、国家重点研发计划项目(2016YFB0402503)、国家高技术研究发展计划(2015AA017101)和集成光电子学国家重点联合实验室开放课题(IOSKL2015KF38)等项目的资助。