CN101696933B - 一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器。它包含输入波导、四个分支波导、输出波导、将光从输入波导等分到分支波导的分光器、将光从分支波导合到输出波导的合光器、两侧分别与两个分支波导耦合的传感谐振腔、两侧分别与两个分支波导耦合的参照谐振腔，传感谐振腔与参照谐振腔光学长度不同，传感谐振腔的一个谐振频率与参照谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合。传感谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触，被测物质的变化会引起模式有效折射率变化，从而引起谐振谱的移动。通过双谐振腔的游标效应可将此移动放大，并将其转换为相邻两个谐振峰的功率比变化，从而更有效地检测包层被测物质的变化。
Description
技术领域
本发明涉及光波导传感器，尤其是涉及一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器。
背景技术
生物化学传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应用。
各种光波导传感器都是根据倏逝波增强技术原理提出的。倏逝场与包层物质发生作用，包层物质变化时，引起波导模式折射率的变化。图1给出了基于单个环形谐振腔的光波导传感器结构示意图。环形谐振腔因其具有尖锐的谐振峰，可以实现高灵敏度。环形谐振腔波导的上包层均为被测物质，使用谐振波长的偏移来测量被测物质折射率的变化时，其灵敏度由dneff＝neffal/l决定。dl受到探测仪器的限制，在1550nm附近区域，其精确度为0.01nm，相应的探测灵敏度，dneff为2×10-5。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器，使用双谐振腔和马赫-曾德干涉仪相结合，通过游标效应将峰的偏移转换为相邻两峰的能量变化，得到了更高的灵敏度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
技术方案一：
包含输入波导、四个分支波导、输出波导、将光从输入波导等分到第一、第二分支波导的分光器、将光从第三、第四分支波导的合到输出波导的合光器、两侧分别与第一、第三分支波导相耦合的传感谐振腔、两侧分别与第二、第四分支波导相耦合的参照谐振腔，所述传感谐振腔与参照谐振腔的光学长度不同，所述的参照谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
所述两个谐振腔均为环形谐振器。
所述四个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的方向耦合器实现。
所述四个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器实现。
所述两个谐振腔均为法布里泊罗腔。
所述两个谐振腔中任意一个为环形谐振腔，另一个为法布里泊罗腔，所述环形谐振腔与波导的耦合通过方向耦合器实现，或者通过多模干涉耦合器实现。
技术方案二：
包含输入波导、两个分支波导、输出波导、将光从输入波导等分到第一、第二分支波导的分光器、将光从第一、第二分支波导的合到输出波导的合光器、与第一分支波导相耦合的传感环形谐振腔、与第二分支波导相耦合的参照环形谐振腔，所述传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
所述两个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的方向耦合器实现。
所述两个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器实现。
本发明具有的有益效果是：
通过使用不同腔长的两个环形谐振腔，使得双谐振谱叠加产生游标效应，将传感环形腔谐振谱的移动转变为总谐振谱的移动，并得到放大。再将总谐振谱的移动转换为相邻两个谐振峰功率比值的变化，增加了灵敏度，物质折射率变化可探测最小量达9×10-7。
附图说明
图1为背景技术中基于单个环形谐振腔的光波导传感器示意图。
图2为本发明第一种实施方式结构示意图
图3为本发明第一种实施方式透射谱示意图。
图4为本发明第一种实施方式透射谱峰能量变化图。
图5为非传感区与传感区波导横截面示意图。
图6为本发明第一种实施方式给出的实例的透射谱峰能量及比值变化图。
图7为本发明第二种实施方式结构示意图。
图8为本发明第三种实施方式结构示意图。
图9为本发明第四种实施方式结构示意图。
图10为本发明第五种实施方式结构示意图。
图11为本发明第六种实施方式结构示意图。
图12给出了第六个实施方式传感谐振腔10，参照谐振腔20各自的直通透射谱以及总的透射谱。
图13为本发明第七种实施方式结构示意图。
图中：1、输入波导，2、输出波导，3、连接波导，4、分支波导、5、分支波导，4a、分支波导，4b、分支波导，5a、分支波导，5b、分支波导，6、分光器，7、合光器，10、传感谐振腔，20、参照谐振腔，51、52、53、54、多模干涉耦合器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图2是本发明第一种实施方式结构示意图，包含输入波导1、四个分支波导4a、5a、4b、5b、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4a、5a的分光器6、将光从第三、第四分支波导4b、5b的合到输出波导2的合光器7、两侧分别与第一、第三分支波导4a、4b相耦合的传感谐振腔10、两侧分别与第二、第四分支波导5a、5b相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
传感谐振腔10和参照谐振腔20均为环形谐振器。当输入波导1中的光到达分光器6时，分光器6将光等分到分支波导4a、5a。分支波导4a光到达与传感谐振腔10耦合的区域时，会有一部分光侧向耦合到环里，并在里面发生谐振，由于环的自干涉作用，只有当传感谐振腔10的光程(光程为环的长度乘以其折射率)满足光波长的整数倍时(该波长称为环的谐振波长)，该波长的光波才能被分支波导4b耦合出来，其余大部分光能量将会从分支波导4a的端口散出去。
同理，分支波导5a中的光必须满足参照谐振腔20的谐振条件才能通过参照谐振腔20被分支波导5b耦合出来。
环形谐振腔振幅透射系数为：
式中c表示环与波导间的耦合系数，n，R分别表示环的折射率和半径。k0是光波在真空中的波数。由(1)式可以得到环形谐振器的谐振条件：
2nπR＝mλr (2)
其中λr是环的谐振波长，m是某个正整数。
由于两个环的腔长略有不同，故其透射谱也不同(FSR不同)；由于两个环处于MZI结构的支臂上，所以总透射谱为T＝|t1+t2|2，且T1＝|t1|2，T2＝|t2|2分别为传感谐振腔10，参照谐振腔20的透射谱，如图2所示。在1550nm波长，两环都发生谐振，所以总输出谱上达到最大。可称此为“匹配波长”。
图3给出了第一个实施方式传感谐振腔10，参照谐振腔20各自的透射谱T1、T2以及总的透射谱T。
当传感谐振腔10上包层物质有变化时，由于包层内倏逝波的作用，会引起传感谐振腔10波导模式有效折射率发生变化。据 传感谐振腔10的透射谱T1会发生移动。
当T1移动FSR1-FSR2时，T总输出最大将跳变到侧峰上，“匹配波长”变化了FSR2。因此T1的移动相当于被放大了一个因子
这就是游标效应的放大作用。
如图4所示，在T1移动过程中(包层折射率变化过程中)，(a)原主峰逐渐变小，(b)侧峰逐渐变大。通过总透射谱上这两个峰的能量比值变化就可以测得包层物质折射率变化量(可视“匹配波长”处于此两峰中间)。
如果波导结构选用脊型波导，基于SOI(silicon-on-insulator)平台，芯层厚度220nm，脊宽1um，脊高20nm，芯层折射率3.48，衬底折射率1.444，工作在TM模。模式有效折射率neff变化量相对于包层折射率nc变化量的比值为：
dneff/dnc＝0.417 (3)
图5给出了波导横截面示意图。(a)给出了非传感区波导横截面，上包层可选用Su-8胶或二氧化硅等，同时也起保护作用；(b)给出了传感区波导横截面，上包层为被测物质，被测物质的变化引起波导模式折射率变化。
取传感谐振腔10工作谐振级次m1＝1000，参照谐振腔20工作谐振级次m2＝1050(与传感谐振腔10相差5％)，环与直波导之间能量耦合系数取10％，损耗设为1db/cm。
图6给出了被测物质折射率从1.33变化到1.33+2.35×10-4透射谱峰能量及比值变化。经计算灵敏度达到11000dB/RIU，与探测精度为0.01dB的探测器结合，则可以探测的最小折射率变化为9×10-7。
图7为本发明第二种实施方式结构示意图，包含输入波导1、四个分支波导4a、5a、4b、5b、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导(4a、5a的分光器6、将光从第三、第四分支波导4b、5b的合到输出波导2的合光器7、两侧分别与第一、第三分支波导4a、4b相耦合的传感谐振腔10、两侧分别与第二、第四分支波导5a、5b相耦合的参照谐振腔20，所述传感环形谐振腔10与参照环形谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
两个谐振腔均为环形谐振器。四个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器51、52、53、54实现。
图8为本发明第三种实施方式结构示意图，包含输入波导1、四个分支波导4a、5a、4b、5b、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4a、5a的分光器6、将光从第三、第四分支波导4b、5b的合到输出波导2的合光器7、两侧分别与第一、第三分支波导4a、4b相耦合的传感谐振腔10、两侧分别与第二、第四分支波导5a、5b相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
传感谐振腔10，参照谐振腔20均为法布里泊罗腔。将一段波导两端作深刻蚀槽，作为两个反射面，便构成了一个法布里泊罗腔。从左侧端面进入波导的光只有满足法布里泊罗腔的谐振条件2nL＝mλr，才能从右端面输出，其中L为波导长度即腔长，n为折射率。其透射谱性质与环谐振腔相同。
图9为本发明第四种实施方式结构示意图。包含输入波导1、四个分支波导4a、5a、4b、5b、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4a、5a的分光器6、将光从第三、第四分支波导4b、5b的合到输出波导2的合光器7、两侧分别与第一、第三分支波导4a、4b相耦合的传感谐振腔10、两侧分别与第二、第四分支波导5a、5b相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
传感谐振腔10为法布里泊罗腔，参照谐振腔20为环形谐振腔。法布里泊罗腔由一段波导两端作深刻蚀槽，作为两个反射面构成，其透射谱性质与环形谐振腔相同。
图10为本发明第五种实施方式结构示意图，包含输入波导1、四个分支波导4a、5a、4b、5b、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4a、5a的分光器6、将光从第三、第四分支波导4b、5b的合到输出波导2的合光器7、两侧分别与第一、第三分支波导4a、4b相耦合的传感谐振腔10、两侧分别与第二、第四分支波导5a、5b相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
传感谐振腔10为法布里泊罗腔，参照谐振腔20为环形谐振腔。法布里泊罗腔由一段波导两端作深刻蚀槽，作为两个反射面构成，其透射谱性质与环谐振腔相同。
环形谐振腔与波导的耦合通过多模干涉耦合器51、52实现。
图11为本发明第六种实施方式结构示意图，包含输入波导1、两个分支波导4、5、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4、5的分光器6、将光从第一、第二分支波导4、5的合到输出波导2的合光器7、与第一分支波导4相耦合的传感谐振腔10、与第二分支波导5相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
此方式用了环形谐振腔直通端信号。当光信号从输入波导1输入到达与传感谐振腔10的耦合区时，满足传感谐振腔10谐振条件的光耦合进传感谐振腔10，并在环内损耗掉，因此直通输出的谱内就会出现下陷的峰。同理，经过传感谐振腔20区后满足参照谐振腔20谐振条件的光也会被损耗掉。总的振幅透射系数为传感谐振腔10，参照谐振腔20直通振幅透射系数相加。
图12给出了第六个实施方式传感谐振腔10，参照谐振腔20各自的直通能量透射谱T1、T2以及总的能量透射谱T。在1550处谐振峰重合，下陷最深。传感谐振腔10上包层物质有变化时，T1移动，1550的峰上升，侧峰下降。通过测量两峰能量比变化来测定物质变化。
图13为本发明第七种实施方式结构示意图。包含输入波导1、两个分支波导4、5、输出波导2、将光从输入波导1等分到第一、第二分支波导4、5的分光器6、将光从第一、第二分支波导4、5的合到输出波导2的合光器7、与第一分支波导4相耦合的传感谐振腔10、与第二分支波导5相耦合的参照谐振腔20，所述传感谐振腔10与参照谐振腔20的光学长度不同，所述的参照谐振腔20的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔10的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔20的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔10中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
此方式用了环形谐振腔直通端信号。当光信号从输入波导1输入到达与传感谐振腔10的耦合区时，满足传感谐振腔10谐振条件的光耦合进传感谐振腔10，并在环内损耗掉，因此直通输出的谱内就会出现下陷的峰。同理，经过参照谐振腔20区后满足参照谐振腔20谐振条件的光也会被损耗掉。总的振幅透射系数为传感谐振腔10，参照谐振腔20直通振幅透射系数相加。
被测物质的折射率等性质的变化可以通过倏逝波影响传感谐振腔10的光学长度，引起其谐振峰位置的变化，通过两谐振腔不同谐振峰间隔的游标效应将此谐振峰位置的变化转化为两相邻谐振峰功率比的高灵敏度变化，从而通过探测输出波导2中光信号的光谱和功率等信息就可以获得被测物质的折射率和浓度等信息。
两个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器51、52实现。
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 (9)
1.一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器，其特征在于：包含输入波导(1)、四个分支波导(4a、5a、4b、5b)、输出波导(2)、将光从输入波导(1)等分到第一、第二分支波导(4a、5a)的分光器(6)、将光从第三、第四分支波导(4b、5b)合到输出波导(2)的合光器(7)、两侧分别与第一、第三分支波导(4a、4b)相耦合的传感谐振腔(10)、两侧分别与第二、第四分支波导(5a、5b)相耦合的参照谐振腔(20)，所述传感谐振腔(10)与参照谐振腔(20)的光学长度不同，所述的参照谐振腔(20)的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感谐振腔(10)的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照谐振腔(20)的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感谐振腔(10)中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
2.根据权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于：所述两个谐振腔均为环形谐振腔。
3.根据权利要求2所述的光波导传感器，其特征在于：所述四个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的方向耦合器实现。
4.根据权利要求2所述的光波导传感器，其特征在于：所述四个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器实现。
5.根据权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于：所述两个谐振腔均为法布里泊罗腔。
6.根据权利要求1所述的光波导传感器，其特征在于：所述两个谐振腔中任意一个为环形谐振腔，另一个为法布里泊罗腔；所述环形谐振腔与波导的耦合通过方向耦合器实现，或者通过多模干涉耦合器实现。
7.一种基于谐振干涉复合结构和游标效应的光波导传感器，其特征在于：包含输入波导(1)、两个分支波导(4、5)、输出波导(2)、将光从输入波导(1)等分到第一、第二分支波导(4、5)的分光器(6)、将光从第一、第二分支波导(4、5)合到输出波导(2)的合光器(7)、与第一分支波导(4)相耦合的传感环形谐振腔(10)、与第二分支波导(5)相耦合的参照环形谐振腔(20)，所述传感环形谐振腔(10)与参照环形谐振腔(20)的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔(20)的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔(10)的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔(20)的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔(10)中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。
8.根据权利要求7所述的光波导传感器，其特征在于：所述两个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的方向耦合器实现。
9.根据权利要求7所述的光波导传感器，其特征在于：所述两个分支波导与环形谐振腔之间的耦合分别通过各自的多模干涉耦合器实现。
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