CN100593711C - 一种高灵敏度微谐振腔光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的高灵敏度微谐振腔光传感器，包括输入波导、微谐振腔、输出波导和光功率衰减器，输入波导和输出波导分别与微谐振腔耦合，置于微谐振腔的两侧，输入波导的一端为整个光传感器的光源接入端，输入波导的另一端与光功率衰减器的输入端相连，光功率衰减器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。该微谐振腔光传感器结构简单，设计方便，仅需标准工艺制作。采用微谐振腔设计，可以实现非常尖锐的频谱响应，从而实现高精度、高灵敏度测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种微谐振腔光传感器，属于光传感器件领域。
背景技术
近年来，低成本、高灵敏度德超小型传感器的需求不断增长，尤其在生物、环境以及化学等方面。针对这种需求，基于平面光波导技术的集成型光学传感器逐渐受到众人关注。目前已有多种结构，如马赫-泽德干涉仪(A.Densmore，etal.A silicon-on-insulator photonic wire based evanescent field sensor.IEEEPhotonics Technology Letters，18(23)：2520-2522，2006)、表面等离子波传感(Homola J，et al.Surface plasmon resonance sensors：review.Sensors and ActuatorsB-Chemical，54(1-2)：3-15，1999)以及微环/微盘等微谐振腔结构(Sang-Yeon Choet al.A Polymer Microdisk Photonic Sensor Integrated Onto Silicon.IEEE PhotonicsTechnology Letters，18(20)：2096-2098，2006)。其中，微环/微盘等微谐振腔由于具有尺寸小、易于形成高集成度的阵列而成为最有前景的传感器结构之一。当光波导有效折射率随着目标物质浓度而变化时，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。然而，为了实现更精确的测试，必须发展精度更高的光学传感器。
发明内容
本发明的目的是一种高灵敏度微谐振腔光传感器。
本发明的高灵敏度微谐振腔光传感器，包括输入波导、微谐振腔、输出波导和光功率衰减器，输入波导和输出波导分别与微谐振腔耦合，置于微谐振腔的两侧，输入波导的一端为整个光传感器的光源接入端，输入波导的另一端与光功率衰减器的输入端相连，光功率衰减器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。
上述的微谐振腔可以是微环、微盘、微球或光子晶体微腔，也可以是微环、微盘、微球和光子晶体微腔这几种结构的任意两个或多个的组合。
上述的光功率衰减器可以是弯曲光波导、Y分支、方向耦合器、多模干涉耦合器或马赫-泽德干涉仪，或为两根在连接处具有间隙或横向偏移的光波导。
其工作过程为：将被测物质覆盖在微谐振腔传感器的上表面，光从输入波导的一端入射，与微谐振腔发生耦合，满足谐振的波长在微谐振腔发生谐振，并从输出波导输出。不满足谐振波长的光则从输入波导的另一端出射并经过光功率衰减器而进入输出波导，其中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，而另一部分从输出波导另一端出射。当被测物质物质折射率发生变化时，微谐振腔谐振波长发生漂移。通过测试谐振波长漂移或者某一固定波长功率的变化即可实现高灵敏度传感。
本发明有益的效果是：
本发明结构简单，设计方便，仅需标准工艺制作。采用微谐振腔设计，可以实现非常尖锐的频谱响应，从而实现高精度、高灵敏度测试。
附图说明
图1是是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为弯曲光波导的示意图；
图2是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为方向耦合器的示意图；
图3是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为马赫-泽德干涉仪的示意图；
图4是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为Y分支的示意图；
图5是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为多模干涉耦合器的示意图；
图6是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为两根在连接处具有间隙的光波导的示意图；
图7是微谐振腔传感器中的光功率衰减器为两根在连接处具有横向偏移的光波导的示意图；
图8是本发明与传统微谐振腔传感器的频谱响应比较，图中实线为本发明微谐振腔传感器的频谱响应，虚线为传统微谐振腔传感器的频谱响应；
图9是当有效折射率变化2×10-5时，频谱响应变化情况，图中曲线1、2分别为折射率变化前、后本发明的频谱响应曲线；曲线3、4分别为折射率变化前、后传统微谐振腔传感器的频谱响应曲线。
具体实施方式
参照图1，本发明的高灵敏度微谐振腔光传感器，包括输入波导1、微谐振腔2、输出波导3和光功率衰减器4，输入波导1和输出波导3分别与微谐振腔2耦合，置于微谐振腔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，输入波导1的另一端与光功率衰减器4的输入端相连，光功率衰减器4的输出端与输出波导3的一端相连，输出波导3的另一端为传感信号出射端。图1所示实例中，光功率衰减器为弯曲光波导。
或者光功率衰减器也可如图2～图7所示，分别采用方向耦合器、马赫-泽德干涉仪、Y分支、多模干涉耦合器、两根在连接处具有间隙的光波导或两根在连接处具有横向偏移的光波导。
当被测物质折射率发生变化时，微谐振腔的有效折射率也发生变化，从而谐振波长发生漂移。通过测试谐振波长漂移或者某一固定波长功率的变化即可实现高灵敏度传感。
下面以图4所示微谐振腔传感器为例，说明本发明具有高灵敏度的特点。
此例中，微谐振腔采用微环结构，微环半径R＝10μm，光功率衰减器采用Y分支，透过率为50％。本发明与传统微谐振腔传感器的频谱响应曲线比较，见图8，由图可见，本发明的微谐振腔传感器的频谱响应曲线在波长1547.52nm附近斜率非常大。
图9给出了当有效折射率变化Δn＝2×10-5时，频谱响应变化情况，由此图可见，通过测试谐振波长漂移或者某一固定波长(如1547.52nm)功率的变化均可测得被测物质折射率所发生的变化。由于频谱响应曲线斜率很大，倘若采用测试固定波长(1547.52nm)的功率变化量，则可达到更高的传感器灵敏度。例如，当Δn＝2×10-5，1547.52nm处的功率从0.95降低到0.25，因此其灵敏度甚至可达到2×10-6。
试验表明，采用其它方式的光功率衰减器也可达到同样的效果。
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 (3)
1、一种高灵敏度微谐振腔光传感器，其特征在于包括输入波导(1)、微谐振腔(2)、输出波导(3)和光功率衰减器(4)，输入波导(1)和输出波导(3)分别与微谐振腔(2)耦合，置于微谐振腔(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，输入波导(1)的另一端与光功率衰减器(4)的输入端相连，光功率衰减器(4)的输出端与输出波导(3)的一端相连，输出波导(3)的另一端为传感信号出射端。
2、根据权利要求1所述的高灵敏度微谐振腔光传感器，其特征在于微谐振腔(2)是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
3、根据权利要求1所述的高灵敏度微谐振腔光传感器，其特征是光功率衰减器(4)为弯曲光波导、Y分支、方向耦合器、多模干涉耦合器或马赫一泽德干涉仪，或为两根在连接处具有间隙或横向偏移的光波导。
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