CN105675545A - 基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法 - Google Patents

基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱；将被测物质覆盖在光探测臂波导的上表面，光从输入波导的一端入射，与微环谐振腔发生耦合，则一部分耦合进入微环谐振腔；另一部分从输入波导的另一端出射并经过光探测臂进入输出波导，这部分中一部分光由于输出波导与微谐振腔之间的耦合作用，再次耦合进入微谐振腔，而这部分中一部分光与微环谐振腔中耦合出的一部分光相干涉后从输出波导另一端出射；通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。本发明在保持极高灵敏度的前提下避免要求很高精度的频率定位、降低测试***成本。

Description

基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法
技术领域
本发明涉及光传感技术领域，尤其是一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法。
背景技术
近年来，低成本、高灵敏度的超小型传感器的需求不断增长，尤其是在生化制剂和有毒气体等物质检测方面。针对这种需求，工业界和学术界已经提出和制作了许多类型的传感器，其中光学传感器以其极小的尺寸和极高的灵敏度在众多类型传感器中备受关注。许多光学现象如，吸收、荧光、辐射和折射等，以及许多光学介质结构，如光纤、光子晶体、微环谐振腔，表面等离子体和光栅等，都被应用来开拓新型传感机制以获得较好的传感效果。基于微环谐振腔的光学传感器具有尺寸小，灵敏度高以及与CMOS工艺兼容易于集成等优点，被广泛应用于光学传感领域，当光波导有效折射率随着目标物质而变化时，微谐振腔的谐振波长发生漂移，因此通过测试此波长漂移即可测得目标物质的浓度变化(文献1，Mario,La.Notte,BenedettoTroia,TommasoMuciaccia,CaloEdoardoCampanella,FrancescoDeLeonardisandVittoroM.N.Passaro,“Recentadvancesingasandchemicaldetectionbyverniereffect-basedphotonicsensors”,Sensors,V.14(3),4831-4855(2014)，即Mario,La.Notte,BenedettoTroia,TommasoMuciaccia,CaloEdoardoCampanella,FrancescoDeLeonardisandVittoroM.N.Passaro,“基于游标效应的光传感器在气体和化学探测中的研究进展”，传感器,V.14(3),4831-4855(2014))。然而，基于微环谐振腔的光学传感器仍然存在着一些限制其进一步发展应用的缺点。对于基于微环谐振腔的光学传感器，高的灵敏度需要一个尖锐的谐振谱，其探测极限取决于微环谐振腔的Q因子。这就要求器件的传输损耗低，从而提高了对器件制作工艺的要求。随后科研人员提出了基于游标效应的光学传感器，以期获得高的灵敏度和低的探测极限。事实上，基于游标效应灵敏度的提高仅仅来源于游标刻度的读出方法，其物理本征灵敏度并未得到丝毫的提高。Dai等提出了一种基于马赫-增德干涉耦合的微环谐振腔，通过测量共振波长的移动，能够以较高灵敏度探测到大约10-6～10-5有效折射率变化。但是在测量折射率变化值为10-6时，波长移动量仅仅为0.35pm,需要代价高昂的探测***(专利1，ZL200810060460.8)。在专利(专利1，ZL200810060460.8)中，也提出了在某一固定波长测量传输功率的办法来测量折射率的变化，但实际上由于法诺(Fano)效应产生的频谱过宽，在实际中存在诸多问题，比如其测量范围有限，测量线性度很差。因此，在保持高探测精度的前提下，必须探索新的传感机制以有效降低***的探测代价，例如用强度探测代替原来的波长测量。
发明内容
为了克服已有自干涉型微谐振腔光传感器探测方法的保持高灵敏度时要求很高精度的频率定位、测试***成本较高的不足，本发明提供一种在保持极高灵敏度的前提下避免要求很高精度的频率定位、降低测试***成本的基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，实现该探测的微谐振腔光传感器包括一根输入波导、一个微环谐振腔、一根输出波导和一根光探测臂波导，输入波导和输出波导分别与微环谐振腔耦合，置于微环谐振腔的两侧，输入波导的一端为整个光传感器的光源接入端；在输入波导与微环谐振腔的耦合处输入波导的另一端与光探测臂波导的输入端相连；在输出波导与微环谐振腔的耦合处光探测臂波导的输出端与输出波导的一端相连，输出波导的另一端为传感信号出射端；出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱；
探测方法为：将被测物质覆盖在光探测臂波导的上表面，光从输入波导的一端入射，与微环谐振腔发生耦合，则一部分耦合进入微环谐振腔；另一部分从输入波导的另一端出射并经过光探测臂进入输出波导，这部分中一部分光由于输出波导与微谐振腔之间的耦合作用，再次耦合进入微谐振腔，而这部分中一部分光与微环谐振腔中耦合出的一部分光相干涉后从输出波导另一端出射；通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。
进一步，当被测物质折射率发生变化时，光探测臂波导的光程长度发生变化，不仅传输谷值处的谐振波长发生漂移，而且传输谷值的强度发生变化。
本发明的技术构思为：当光探测臂波导长度满足等于微环谐振器长度的0.75倍时，该自干涉型微环谐振腔的出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱。在传输谷值对应的谐振波长，不仅与该微环谐振腔的物理长度有关，而且与输入输出波导与微环谐振腔的耦合系数以及光探测臂的物理长度有关。同样，其传输谷值的大小也与输入输出波导与微环谐振腔的耦合系数以及光探测臂的物理长度有关。因此，当被测物质折射率发生变化时，光探测臂波导的光程长度发生变化，不仅传输谷值处的谐振波长发生漂移，而且传输谷值的强度发生变化。通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。
本发明的有益效果主要表现在：使得该传感器在保持极高探测灵敏度的前提下，仅仅需要一个可以扫频的激光器即可实现高精度的强度测量，避免了此类传感器在测量频率移动时需要很高精度的频率定位，极大降低了测试***的造价。
附图说明
图1为自干涉型微环谐振腔光传感器结构示意图。
图2为自干涉型微环谐振腔的出射频谱。
图3在波长λ＝1552nm处的传输谷随输入输出波导与微环谐振腔耦合系数大小的变化。
图4在波长λ＝1552nm处的传输谷随光探测臂波导的光程长度微小变化时而产生的变化。
图5在波长λ＝1552nm处传输谷的归一化传输强度值随光探测臂波导光程长度微小变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，实现该探测的微谐振腔光传感器包括一根输入波导1、一个微环谐振腔2、一根输出波导3和一根光探测臂波导4，输入波导1和输出波导3分别与微环谐振腔2耦合，置于微环谐振腔2的两侧，输入波导1的一端为整个光传感器的光源接入端，在输入波导1与微环谐振腔2的耦合处，输入波导1的另一端与光探测臂波导4的输入端相连，在输出波导3与微环谐振腔2的耦合处，输出波导3的一端与光探测臂波导4的输出端相连，输出波导3的另一端为传感信号出射端：出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱；
探测方法为：将被测物质覆盖在光探测臂波导的上表面，光从输入波导的一端入射，与微环谐振腔发生耦合，则一部分耦合进入微环谐振腔；另一部分从输入波导的另一端出射并经过光探测臂进入输出波导，这部分中一部分光由于输出波导与微谐振腔之间的耦合作用，再次耦合进入微谐振腔，而这部分中一部分光与微环谐振腔中耦合出的一部分光相干涉后从输出波导另一端出射；通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。
进一步，当被测物质折射率发生变化时，光探测臂波导的光程长度发生变化，不仅传输谷值处的谐振波长发生漂移，而且传输谷值的强度发生变化。
实例：此例中自干涉型微环谐振传感器，微环半径R＝30μm，则微环圆周的物理长度LR＝2πR，光探测臂波导的物理长度为LW＝0.75LR+d。图2为自干涉型微环谐振腔的出射频谱，此时d＝0.004μm,有效折射率neff＝2.85，输入波导和输出波导与微环谐振腔的耦合系数相等，均为0.5，该传感器中所有光学波导中光模式单位长度的损耗系数α＝0.01dB/cm。从图2中可以看出，该自干涉型微环谐振腔的出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱。图3显示了在波长λ＝1552nm处的传输谷随输入输出波导与微环谐振腔耦合系数大小的变化。图4显示了在波长λ＝1552nm处的传输谷随光探测臂波导的光程长度微小变化时而产生的变化。这表明在传输谷值对应的谐振波长，不仅与该微环谐振腔的物理长度有关，而且与输入输出波导与微环谐振腔的耦合系数以及光探测臂的物理长度有关。同样，其传输谷值的大小也与输入输出波导与微环谐振腔的耦合系数以及光探测臂的物理长度有关。图5显示了在波长λ＝1552nm处传输谷的归一化传输强度值随光程长度微小变化d的曲线。由图中可以看出在k＝0.5，1nm＜d＜2.5nm时可以取得很好的线性度，此时测量精度约为0.1nm，对应的折射率变化约为10-6。当k＝0.15,0.85时，相应的测量范围扩大，但测量精度下降。在k＝0.9985,测量范围可以扩大到25nm,测量精度下降为1nm,对应的折射率变化约为10-5。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，实现该探测的微谐振腔光传感器包括一根输入波导、一个微环谐振腔、一根输出波导和一根光探测臂波导，输入波导和输出波导分别与微环谐振腔耦合，置于微环谐振腔的两侧，输入波导的一端为整个光传感器的光源接入端；在输入波导与微环谐振腔的耦合处输入波导的另一端与光探测臂波导的输入端相连；在输出波导与微环谐振腔的耦合处光探测臂波导的输出端与输出波导的一端相连，输出波导的另一端为传感信号出射端；其特征在于：出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱；
探测方法为：将被测物质覆盖在光探测臂波导的上表面，光从输入波导的一端入射，与微环谐振腔发生耦合，则一部分耦合进入微环谐振腔；另一部分从输入波导的另一端出射并经过光探测臂进入输出波导，这部分中一部分光由于输出波导与微谐振腔之间的耦合作用，再次耦合进入微谐振腔，而这部分中一部分光与微环谐振腔中耦合出的一部分光相干涉后从输出波导另一端出射；通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。
2.如权利要求1所述的基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，其特征在于：当被测物质折射率发生变化时，光探测臂波导的光程长度发生变化，不仅传输谷值处的谐振波长发生漂移，而且传输谷值的强度发生变化。
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