一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法与流程
本发明涉及光电子器件，尤其涉及一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法。
背景技术：
1、基于集成光子技术的片上传感器在灵敏度、成本、便携性方面具有传统传感器难以比拟的优势，近年来获得广泛关注，部分研究成果已初步应用于癌症早期诊断、免疫诊断等领域。典型片上传感器主要分为谐振型和波导干涉型两类，波导干涉型传感器可达到比谐振型传感器更高的灵敏度和最低可探测限，但由于其灵敏度随波导长度的增加而提高，为实现较高的灵敏度，波导干涉型传感器的尺寸通常较大，制约了传感器的片上集成密度和并行检测多种指标的能力。
2、双模干涉等共路径干涉技术利用导波模式光场分布和有效折射率的差异，将马赫-曾德尔干涉结构的双路径合二为一，传感器尺寸因此减小50％。因集成光波导的偏振色散，为便于片上偏振态管理，通常采用同一偏振态的两种偏振模式，例如横电模的基模和一阶模。然而由于同一偏振态两个模式的场分布有较多重叠区域，使得两种偏振模式均受到波导周边的折射率变化影响。同时因同路径的缘故，难以像马赫-曾德尔干涉结构一样将其中一个路径进行钝化(例如用包层结构)，使之对周边折射率变化不响应。因而导致双模波导的灵敏度受到影响。
3、为提高双模波导检测灵敏度，现有技术可以分为三种类型。第一类是采用聚合物、氮化硅等低折射率材料作为波导材料，减小波导的光场约束能力，从而增强导波模式与被测物的相互作用，提高传感器灵敏度；第二类是采用脊波导结构，构造垂直于芯片表面的双模波导，并结合波导设计，提高两种偏振模式的灵敏度之差，从而提高双模波导干涉传感器的灵敏度。第三类是通过微纳结构(例如孔洞、缝隙或亚波长结构等)改变模式的光场分布，进而增强光与物质的相互作用，提高传感器灵敏度。第一类技术同时增强了两种偏振模式与被测物的相互作用，但双模干涉传感器依赖于两种偏振模式灵敏度之差，因此整体灵敏度提升有限。同时，低折射率材料波导的群折射率较低，比相同物理长度的高折射率波导有效长度减小。此外，低折射率波导传感器集成密度较低；第二类方法需要较大的波导厚度和深刻蚀工艺加工脊形波导，工艺更加复杂，且该结构要获得较高灵敏度一般尺寸较大，难以大规模集成，并且与现有集成光子工艺兼容性较差；第三类方法不仅加工工艺复杂，结构容差小，并且微纳结构经过刻蚀等加工工艺的处理，其表面存在较多缺陷，导致传感器表面与生物分子相互作用存在较大的不确定性，进而影响检测结果的可靠性。
4、本发明针对双模波导灵敏度问题，提出利用偏振模式截然不同的模场分布，通过波导优化设计和片上偏振管理，提高双模波导干涉传感器的灵敏度和最低探测限。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
2、本发明实施例提供了一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法，包括：
3、将耦合进片上光波导中的光由偏振旋转分束器转换成特定比例的两种偏振模式，并通过耦合器选择性激发单模或多模波导的特定模式，经过多模波导传感区域后，通过偏振管理和模式耦合，将两种偏振模式转换为单模波导的同一模式，通过数据解调方法，获取传感信号；
4、两种偏振模式具有不同的有效折射率和相速度，两种偏振模式与外界被测物质相互作用的倏逝场更强；
5、当两种偏振模式的倏逝场中存在被分析物时，传感器表面和附近的折射率变化引起两种偏振模式的有效折射率发生不同的变化，通过解调输出双模干涉强度或相位信号，实现被分析物的传感，相位灵敏度为相位变化量与折射率的变化量之比，由下式给出：
6、
7、其中，是输出干涉谱相位变化量，δnex是传感表面折射率变化量，与分别为两个模式有效折射率之差，l为双模波导长度。
8、根据本公开实施例的一种具体实现方式，其特征在于：
9、所述两种偏振模式为横电模式te和横磁模式tm。
10、根据本公开实施例的一种具体实现方式，其特征在于：
11、tm模式为传感模式，te模式为参考模式。
12、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
13、在双模干涉传感器中，te模式电场分布在波导内部，tm模式的电场分布在波导表面，两种偏振模式的显著的模场分布差异导致有效折射率随周围折射率变化差异增大，从而使灵敏度得到增强。
14、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
15、对双模波导两侧位置进行覆盖，增大两种偏振模式的有效折射率之差的变化率，进而产生更大的相位变化。
16、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
17、通过合束器和光电探测器，采集传感器的功率变化，实现传感信号解调。
18、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
19、通过定向耦合器和平衡探测器，探测光功率的变化，实现传感信号解调。
20、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
21、通过90°或120°光学混频器，进行相干探测，以实现对噪声抑制，提高最低探测限，实现传感信号解调。
22、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
23、通过光电探测器阵列探测干涉条纹的变化，实现传感信号解调。
24、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
25、用于信号解调的传感器通过异质集成实现全片上集成。
26、本发明的方案，通过利用不同的偏振模式，实现片上干涉传感器的灵敏度提升；通过波导结构设计选择性增强特定偏振模式灵敏度的方法；通过偏振分束器等器件，实现对模式的分离，结合相干相位数据处理方法，提高灵敏度；最后实现了传感器的全片上集成。基于本发明，在相同波导长度下，波长移动灵敏度提高超过2倍，相位灵敏度提高近80％。
技术特征：
1.一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
技术总结
本发明实施例中提供了一种基于偏振的双模波导灵敏度增强方法，属于光电子器件技术领域，该方法包括：将耦合进片上光波导中的光由偏振旋转分束器转换成特定比例的两种偏振模式，并通过耦合器选择性激发单模或多模波导的特定模式，经过多模波导传感区域后，通过偏振管理和模式耦合，将两种偏振模式转换为单模波导的同一模式，通过数据解调方法，获取传感信号，当两种偏振模式的倏逝场中存在被分析物时，传感器表面和附近的折射率变化引起两种偏振模式的有效折射率发生不同的变化，通过解调输出双模干涉强度或相位信号，实现被分析物的传感。本方案在相同波导长度下，能够提高波长的移动灵敏度和相位灵敏度。
技术研发人员：徐小川
受保护的技术使用者：烟台粒子光学科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23