基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強(qiáng)度探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光傳感技術(shù)領(lǐng)域，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(qiáng)度探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(zhì)檢測方面。針對這種需求，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出和制作了許多類型的傳感器，其中光學(xué)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(guān)注。許多光學(xué)現(xiàn)象如，吸收、焚光、福射和折射等，以及許多光學(xué)介質(zhì)結(jié)構(gòu)，如光纖、光子晶體、微環(huán)諧振腔，表面等離子體和光柵等，都被應(yīng)用來開拓新型傳感機(jī)制以獲得較好的傳感效果?；谖h(huán)諧振腔的光學(xué)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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感領(lǐng)域，當(dāng)光波導(dǎo)有效折射率隨著目標(biāo)物質(zhì)而變化時，微諧振腔的諧振波長發(fā)生漂移，因此通過測試此波長漂移即可測得目標(biāo)物質(zhì)的濃度變化(文獻(xiàn)I，Mar1,La.Notte,Benedetto Troia，Tommaso Muciaccia,Calo Edoardo CampanelIa,Francesco De Leonardis and Vittoro Μ.N.Passaro，“Recent advances in gas andchemical detect1n by vernier effect-based photonic sensors，，，Sensors，V.14(3)，4831-4855(2014)，即Mari。,La.Notte,Benedetto Troia,Tommaso Muciaccia,CaloEdoardo Campanella,Francesco De Leonardis and Vittoro M.N.Passaro，“基于游標(biāo)效應(yīng)的光傳感器在氣體和化學(xué)探測中的研究進(jìn)展”，傳感器，V.14(3) ,4831-4855(2014))。然而，基于微環(huán)諧振腔的光學(xué)傳感器仍然存在著一些限制其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的缺點(diǎn)。對于基于微環(huán)諧振腔的光學(xué)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(huán)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(biāo)效應(yīng)的光學(xué)傳感器，以期獲得高的靈敏度和低的探測極限。事實(shí)上，基于游標(biāo)效應(yīng)靈敏度的提高僅僅來源于游標(biāo)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(huán)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I O —6時，波長移動量僅僅為0.3 5 P m，需要代價高昂的探測系統(tǒng)(專利I，Z L200810060460.8)。在專利(專利I，ZL 200810060460.8)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(shí)際上由于法諾(Fano)效應(yīng)產(chǎn)生的頻譜過寬，在實(shí)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(jī)制以有效降低系統(tǒng)的探測代價，例如用強(qiáng)度探測代替原來的波長測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]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(tǒng)成本較高的不足，本發(fā)明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(tǒng)成本的基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強(qiáng)度探測方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于自干涉型微諧振腔光傳感器的高靈敏度強(qiáng)度探測方法，實(shí)現(xiàn)該探測的微諧振腔光傳感器包括一根輸入波導(dǎo)、一個微環(huán)諧振腔、一根輸出波導(dǎo)和一根光探測臂波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)分別與微環(huán)諧振腔耦合，置于微環(huán)諧振腔的兩側(cè)，輸入波導(dǎo)的一端為整個光傳感器的光源接入端;在輸入波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔的耦合處輸入波導(dǎo)的另一端與光探測臂波導(dǎo)的輸入端相連;在輸出波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔的耦合處光探測臂波導(dǎo)的輸出端與輸出波導(dǎo)的一端相連，輸出波導(dǎo)的另一端為傳感信號出射端；出射頻譜擁有與單波導(dǎo)耦合到微環(huán)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；
[0006]探測方法為:將被測物質(zhì)覆蓋在光探測臂波導(dǎo)的上表面，光從輸入波導(dǎo)的一端入射，與微環(huán)諧振腔發(fā)生耦合，則一部分耦合進(jìn)入微環(huán)諧振腔;另一部分從輸入波導(dǎo)的另一端出射并經(jīng)過光探測臂進(jìn)入輸出波導(dǎo)，這部分中一部分光由于輸出波導(dǎo)與微諧振腔之間的耦合作用，再次耦合進(jìn)入微諧振腔，而這部分中一部分光與微環(huán)諧振腔中耦合出的一部分光相干涉后從輸出波導(dǎo)另一端出射;通過測試諧振波長處傳輸強(qiáng)度的變化即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感。
[0007]進(jìn)一步，當(dāng)被測物質(zhì)折射率發(fā)生變化時，光探測臂波導(dǎo)的光程長度發(fā)生變化，不僅傳輸谷值處的諧振波長發(fā)生漂移，而且傳輸谷值的強(qiáng)度發(fā)生變化。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:當(dāng)光探測臂波導(dǎo)長度滿足等于微環(huán)諧振器長度的0.75倍時，該自干涉型微環(huán)諧振腔的出射頻譜擁有與單波導(dǎo)耦合到微環(huán)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(yīng)的諧振波長，不僅與該微環(huán)諧振腔的物理長度有關(guān)，而且與輸入輸出波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔的耦合系數(shù)以及光探測臂的物理長度有關(guān)。同樣，其傳輸谷值的大小也與輸入輸出波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔的耦合系數(shù)以及光探測臂的物理長度有關(guān)。因此，當(dāng)被測物質(zhì)折射率發(fā)生變化時，光探測臂波導(dǎo)的光程長度發(fā)生變化，不僅傳輸谷值處的諧振波長發(fā)生漂移，而且傳輸谷值的強(qiáng)度發(fā)生變化。通過測試諧振波長處傳輸強(qiáng)度的變化即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感。
[0009]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)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(shí)現(xiàn)高精度的強(qiáng)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(tǒng)的造價。
【附圖說明】
[0010]圖1為自干涉型微環(huán)諧振腔光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ]圖2為自干涉型微環(huán)諧振腔的出射頻譜。
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