一种谐振腔增强的单片集成传感器及测量方法

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与刘铁根教授课题组，研发了一种谐振腔增强的单片集成传感器及测量方法，成果获得了中国发明专利（ZL202010188882.4）授权。

石墨烯-硅基异质集成光子回路近年来受到了广泛的研究关注。一方面，波导中传播光通过倏逝场与集成在波导表面的石墨烯发生相互作用，克服了单原子层石墨烯与垂直入射光作用弱的缺点；另一方面，通过改变波导上集成的石墨烯的费米能级，还可调节波导中传播光的强度和相位，实现光场调制和传感等功能。此外，在中红外光谱（2-20微米）范围内，生物化学分子吸收光子可实现本征振动能级跃迁，在生化分子传感检测领域已经实现了广泛的应用。因此，中红外石墨烯-硅基异质集成光子回路在开发生物化学分子传感芯片方面极具发展前景。

微环谐振腔是一种常用的硅基光子学器件，在开发生物化学分子传感方面，具有器件尺寸小、制作容差大、测量灵敏度高等优点。同时，微环谐振腔可以同其他光电子器件（例如，激光器、探测器等）实现片上集成，极大减小传感系统的尺寸、成本及能耗等参数。在过去的研究中，为了测量微环谐振腔，研究者通常需要采用可调谐激光器或者光谱仪等设备。然而，在中红外波段，上述仪器具有体积大、成本高、难以集成等缺点，极大限制了中红外微环谐振腔的传感应用场景。

图1.所发明的传感器示意图和测量方法。(a)单波长传感器示意图。(b)单波长微环谐振腔传感器件的测量原理。

在本项工作中，研究者们发明了一种测量中红外石墨烯-硅基异质集成微环谐振腔的新方法。所提出的器件如图1a所示，在硅-绝缘体（Silicon-on-Insulator, SOI）晶圆上设计硅-石墨烯微环谐振腔，激光由光栅耦合器耦合进/出片上微环谐振腔。同时，将石墨烯集成在波导器件表面，器件通过倏逝场耦合与顶层石墨烯发生作用。其中，波导器件采用了悬空薄膜结构避免了氧化埋层（Buried Oxide, BOX）对中红外光的吸收，石墨烯与波导器件间采用三氧化二铝材料进行电学隔离。通过外加电场调控石墨烯的费米能级，改变波导器件中光的相位变化，从而调节TE0模式的共振波长，通过石墨烯费米能级域的透射谱线，推导得到微环谐振腔在波长域的透射谱线，最终得到微环谐振腔的品质因子、消光比、共振峰移动等特性。采用单波长激光器实现对微环谐振腔的测量，无需波长精确调节的激光器，极大降低了设备成本，有利于实现传感系统的单片集成。该测量方法基于课题组研发的电场辅助的共振扫描光谱技术（Electric-field Assisted Resonance Scanning (EARS) Spectroscopic Technique）所发明。

图2.一种谐振腔增强的单片集成传感器及测量方法专利授权证书。

本专利的学生第一发明人为天津大学精密仪器与光电子工程学院的博士研究生陈威成同学，专利授权证书如图2所示。该工作得到了国家自然科学基金（61805175）项目的支持。