基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法技術

一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法，出射頻譜擁有與單波導耦合到微環諧振腔類似的頻譜，該傳輸譜是傳輸谷值具有周期性分布的頻譜；將被測物質覆蓋在光探測臂波導的上表面，光從輸入波導的一端入射，與微環諧振腔發生耦合，則一部分耦合進入微環諧振腔；另一部分從輸入波導的另一端出射并經過光探測臂進入輸出波導，這部分中一部分光由于輸出波導與微諧振腔之間的耦合作用，再次耦合進入微諧振腔，而這部分中一部分光與微環諧振腔中耦合出的一部分光相干涉后從輸出波導另一端出射；通過測試諧振波長處傳輸強度的變化即可實現高靈敏度傳感。本發明專利技術在保持極高靈敏度的前提下避免要求很高精度的頻率定位、降低測試系統成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光傳感
，尤其是一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法。
技術介紹
近年來，低成本、高靈敏度的超小型傳感器的需求不斷增長，尤其是在生化制劑和有毒氣體等物質檢測方面。針對這種需求，工業界和學術界已經提出和制作了許多類型的傳感器，其中光學傳感器以其極小的尺寸和極高的靈敏度在眾多類型傳感器中備受關注。許多光學現象如，吸收、熒光、輻射和折射等，以及許多光學介質結構，如光纖、光子晶體、微環諧振腔，表面等離子體和光柵等，都被應用來開拓新型傳感機制以獲得較好的傳感效果。基于微環諧振腔的光學傳感器具有尺寸小，靈敏度高以及與CMOS工藝兼容易于集成等優點，被廣泛應用于光學傳感領域，當光波導有效折射率隨著目標物質而變化時，微諧振腔的諧振波長發生漂移，因此通過測試此波長漂移即可測得目標物質的濃度變化(文獻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,“基于游標效應的光傳感器在氣體和化學探測中的研究進展”，傳感器,V.14(3),4831-4855(2014))。然而，基于微環諧振腔的光學傳感器仍然存在著一些限制其進一步發展應用的缺點。對于基于微環諧振腔的光學傳感器，高的靈敏度需要一個尖銳的諧振譜，其探測極限取決于微環諧振腔的Q因子。這就要求器件的傳輸損耗低，從而提高了對器件制作工藝的要求。隨后科研人員提出了基于游標效應的光學傳感器，以期獲得高的靈敏度和低的探測極限。事實上，基于游標效應靈敏度的提高僅僅來源于游標刻度的讀出方法，其物理本征靈敏度并未得到絲毫的提高。Dai等提出了一種基于馬赫-增德干涉耦合的微環諧振腔，通過測量共振波長的移動，能夠以較高靈敏度探測到大約10-6～10-5有效折射率變化。但是在測量折射率變化值為10-6時，波長移動量僅僅為0.35pm,需要代價高昂的探測系統(專利1，ZL200810060460.8)。在專利(專利1，ZL200810060460.8)中，也提出了在某一固定波長測量傳輸功率的辦法來測量折射率的變化，但實際上由于法諾(Fano)效應產生的頻譜過寬，在實際中存在諸多問題，比如其測量范圍有限，測量線性度很差。因此，在保持高探測精度的前提下，必須探索新的傳感機制以有效降低系統的探測代價，例如用強度探測代替原來的波長測量。
技術實現思路
為了克服已有自干涉型微諧振腔光傳感器探測方法的保持高靈敏度時要求很高精度的頻率定位、測試系統成本較高的不足，本專利技術提供一種在保持極高靈敏度的前提下避免要求很高精度的頻率定位、降低測試系統成本的基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法，實現該探測的微諧振腔光傳感器包括一根輸入波導、一個微環諧振腔、一根輸出波導和一根光探測臂波導，輸入波導和輸出波導分別與微環諧振腔耦合，置于微環諧振腔的兩側，輸入波導的一端為整個光傳感器的光源接入端；在輸入波導與微環諧振腔的耦合處輸入波導的另一端與光探測臂波導的輸入端相連；在輸出波導與微環諧振腔的耦合處光探測臂波導的輸出端與輸出波導的一端相連，輸出波導的另一端為傳感信號出射端；出射頻譜擁有與單波導耦合到微環諧振腔類似的頻譜，該傳輸譜是傳輸谷值具有周期性分布的頻譜；探測方法為：將被測物質覆蓋在光探測臂波導的上表面，光從輸入波導的一端入射，與微環諧振腔發生耦合，則一部分耦合進入微環諧振腔；另一部分從輸入波導的另一端出射并經過光探測臂進入輸出波導，這部分中一部分光由于輸出波導與微諧振腔之間的耦合作用，再次耦合進入微諧振腔，而這部分中一部分光與微環諧振腔中耦合出的一部分光相干涉后從輸出波導另一端出射；通過測試諧振波長處傳輸強度的變化即可實現高靈敏度傳感。進一步，當被測物質折射率發生變化時，光探測臂波導的光程長度發生變化，不僅傳輸谷值處的諧振波長發生漂移，而且傳輸谷值的強度發生變化。本專利技術的技術構思為：當光探測臂波導長度滿足等于微環諧振器長度的0.75倍時，該自干涉型微環諧振腔的出射頻譜擁有與單波導耦合到微環諧振腔類似的頻譜，該傳輸譜是傳輸谷值具有周期性分布的頻譜。在傳輸谷值對應的諧振波長，不僅與該微環諧振腔的物理長度有關，而且與輸入輸出波導與微環諧振腔的耦合系數以及光探測臂的物理長度有關。同樣，其傳輸谷值的大小也與輸入輸出波導與微環諧振腔的耦合系數以及光探測臂的物理長度有關。因此，當被測物質折射率發生變化時，光探測臂波導的光程長度發生變化，不僅傳輸谷值處的諧振波長發生漂移，而且傳輸谷值的強度發生變化。通過測試諧振波長處傳輸強度的變化即可實現高靈敏度傳感。本專利技術的有益效果主要表現在：使得該傳感器在保持極高探測靈敏度的前提下，僅僅需要一個可以掃頻的激光器即可實現高精度的強度測量，避免了此類傳感器在測量頻率移動時需要很高精度的頻率定位，極大降低了測試系統的造價。附圖說明圖1為自干涉型微環諧振腔光傳感器結構示意圖。圖2為自干涉型微環諧振腔的出射頻譜。圖3在波長λ＝1552nm處的傳輸谷隨輸入輸出波導與微環諧振腔耦合系數大小的變化。圖4在波長λ＝1552nm處的傳輸谷隨光探測臂波導的光程長度微小變化時而產生的變化。圖5在波長λ＝1552nm處傳輸谷的歸一化傳輸強度值隨光探測臂波導光程長度微小變化的曲線。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步描述。參照圖1～圖5，一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法，實現該探測的微諧振腔光傳感器包括一根輸入波導1、一個微環諧振腔2、一根輸出波導3和一根光探測臂波導4，輸入波導1和輸出波導3分別與微環諧本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法，實現該探測的微諧振腔光傳感器包括一根輸入波導、一個微環諧振腔、一根輸出波導和一根光探測臂波導，輸入波導和輸出波導分別與微環諧振腔耦合，置于微環諧振腔的兩側，輸入波導的一端為整個光傳感器的光源接入端；在輸入波導與微環諧振腔的耦合處輸入波導的另一端與光探測臂波導的輸入端相連；在輸出波導與微環諧振腔的耦合處光探測臂波導的輸出端與輸出波導的一端相連，輸出波導的另一端為傳感信號出射端；其特征在于：出射頻譜擁有與單波導耦合到微環諧振腔類似的頻譜，該傳輸譜是傳輸谷值具有周期性分布的頻譜；探測方法為：將被測物質覆蓋在光探測臂波導的上表面，光從輸入波導的一端入射，與微環諧振腔發生耦合，則一部分耦合進入微環諧振腔；另一部分從輸入波導的另一端出射并經過光探測臂進入輸出波導，這部分中一部分光由于輸出波導與微諧振腔之間的耦合作用，再次耦合進入微諧振腔，而這部分中一部分光與微環諧振腔中耦合出的一部分光相干涉后從輸出波導另一端出射；通過測試諧振波長處傳輸強度的變化即可實現高靈敏度傳感。

【技術特征摘要】
1.一種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強度探測方法，實
現該探測的微諧振腔光傳感器包括一根輸入波導、一個微環諧振腔、
一根輸出波導和一根光探測臂波導，輸入波導和輸出波導分別與微環
諧振腔耦合，置于微環諧振腔的兩側，輸入波導的一端為整個光傳感
器的光源接入端；在輸入波導與微環諧振腔的耦合處輸入波導的另一
端與光探測臂波導的輸入端相連；在輸出波導與微環諧振腔的耦合處
光探測臂波導的輸出端與輸出波導的一端相連，輸出波導的另一端為
傳感信號出射端；其特征在于：出射頻譜擁有與單波導耦合到微環諧
振腔類似的頻譜，該傳輸譜是傳輸谷值具有周期性分布的頻譜；
探測方法為：將被測物質覆蓋在光探測臂波...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任宏亮，盧瑾，劉愷，樂孜純，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33