CN105044031A - 利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，测试装置中的微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成，环形波导包括下包层、设置在下包层上的波导芯、以及涂覆在波导芯表面的敏感膜，敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。通过测量输出的光信号的中心波长，推算出相应的甲烷气体浓度。由于本发明的甲烷浓度测试装置及方法测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，因此入射光的角度以及材料自身所带来的对光强的衰减对本申请的测量并无影响，也使得利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法的测量准确度更高，结果更可靠。

Description

利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光学型传感器领域，尤其涉及一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法。

背景技术

煤矿的开采需要在煤矿井下作用，在开采过程中，容易产生大量有害气体，其中，最容易产生安全事故，并威胁到矿工生命安全的是甲烷气体。为保证煤矿开采安全，检测甲烷气体成为开采煤矿时的重点。

现有的甲烷气体的检测方法主要有催化燃烧型、半导体型、电化学型、光学型等。在现有的光学型传感器中，主要使用光纤光谱吸收型甲烷气体传感器检测甲烷气体浓度。其检测原理主要基于甲烷气体的吸收谱特性，通过光源穿过待测气体并测量透光光强或反射光强的变化，从而实现测量甲烷气体的浓度变化的目的。

但是上述甲烷气体传感器对光纤的入射角及折射角有较高的要求，并且在单模光纤和多模光纤的交界处或弯折处均会产生光损耗，导致光强由于光纤本身的缺陷而存在减弱，进而影响甲烷气体浓度检测的精度，容易产生安全隐患。

发明内容

本发明提供一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，用于解决现有的测试方案中由于光纤自身缺陷而导致的影响甲烷浓度测试准确性的问题。

本发明的第一个方面是提供一种利用光波导微环谐振器的测试甲烷浓度的测试装置，包括：衬底和放置在所述衬底上的微环谐振器；

其中，所述微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成；所述环形波导设置于所述两条平行波导之间；

所述环形波导包括下包层、设置在所述下包层上的波导芯、以及涂覆在所述波导芯表面的敏感膜，所述敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使所述环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。

本发明的另一个方面是提供一种使用前述的甲烷浓度的测试装置进行甲烷浓度测试的方法，包括：

将测试光源发出的光信号输入微环谐振器中两条平行波导中的其中一条，光信号通过在涂覆有敏感膜的环形波导中谐振后进入另一条平行波导，测量所述另一条平行波导输出的光信号的中心波长；

根据公式(1)，计算所述微环谐振器中环形波导的有效折射率N：

$N=\frac{{\mathrm{m\λ}}_m}{2\mathrm{\π}R}---\left(1\right)$

其中，m为输出的光信号中谐振级数，λ_m为输出的光信号中谐振级数为m的光信号的中心波长，R为环形波导的环形半径，；

根据公式(2)，计算所述波导芯各表面外介质的折射率：：

$\begin{array}{c}{N}^2={n_1}^2-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}a/\mathrm{\λ}\right)+{\left({n_1}^2-{n_3}^2\right)}^{-1/2}+{\left({n_1}^2-{n_5}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\\ -\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}b/\mathrm{\λ}\right)+n_2^2{\left({n_1}^2-{n_2}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2+n_4^2{\left({n_1}^2-{n_4}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2\]}^2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，n₁为环形波导的波导芯的折射率，n₂为环形波导的下包层的折射率，n₃为所述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，n₄为所述波导芯的上表面外介质的折射率，n₅为所述波导芯的右侧壁表面外介质的折射率，a为波导芯的宽度，b为波导芯的厚度，λ为测试光源的中心波长；

根据所述波导芯各表面外介质的折射率，获得敏感膜的折射率n，并根据公式(3)计算甲烷浓度C：

n＝αC+β(3)

其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。

本发明提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，通过在微环谐振器的环形波导的波导芯表面涂覆有只与甲烷气体发生作用的敏感膜，使微环谐振器的环形波导的有效折射率根据甲烷气体的浓度不同发生改变，并引起其内谐振后并输出的光信号的中心波长变化。通过测量输出的光信号的中心波长，推算出相应的甲烷气体浓度。由于本发明的甲烷浓度测试装置及方法测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，入射光的角度以及材料自身所带来的对光强的衰减对本申请的测量并无影响。因此，本发明的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法的测量准确度更高，结果更可靠。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的结构的正视图；

图3为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图；

图5为本发明实施例四提供的又一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例五提供的一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测试方法的流程示意图；

图7为本发明实施例五中的矩型波导传输原理中的有效折射率的计算示意图；

图8为本发明实施例五的敏感膜的折射率与甲烷浓度之间关系的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。

图1为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的结构正视图，图3为本发明实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图。

如图1所示，利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置包括：衬底20和放置在所述衬底上的微环谐振器10；衬底20可由硅材料制成，用于放置微环谐振器10，衬底20的尺寸需大于微环谐振器10的尺寸。

其中，如图2所示，微环谐振器10由两条平行波导11和13以及一个环形波导12组成；环形波导12设置于两条平行波导11和13之间，使测试光源发出的光信号输入平行波导11中，光信号通过在环形波导12中谐振后进入平行波导13中，并输出；

如图3所示，环形波导包括下包层123、设置在下包层123上的波导芯121、以及涂覆在波导芯121表面的敏感膜122。其中，环形波导12的下包层123可平铺在所述衬底20的表面，下包层123与波导芯121分别由不同材料的聚合物制成，波导芯121的折射率分别高于下包层123的折射率和敏感膜122的折射率，以保证环形波导12的正常工作。敏感膜122仅与甲烷气体发生作用，并使敏感膜122的折射率发生改变，当甲烷气体浓度增大时，敏感膜122的折射率变大，从而使环形波导12的有效折射率增大，因此环形波导12的有效折射率将随着甲烷浓度的增大而增大。

具体来说，本发明是利用光波导的微环谐振器10对甲烷浓度进行测试。输入的光信号将从微环谐振器10的其平行波导11的A口输入，沿平行波导11传输至平行波导11与环形波导12临近的区域，并发生耦合，输入的光信号进入环形波导12中。而由于环形波导12的环形结构，输入的光信号将在不停的旋转并发生谐振，当围绕环形波导传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍数时，光信号将得到增加变为谐振后的光信号。而谐振后的光信号传输至环形波导12与平行波导13临近的区域时，再次发生耦合，进入平行波导13，并沿着平行波导13传输至B口，最终形成输出的光信号。其中，当光信号在环形波导12中发生谐振时，环形波导12的有效折射率的改变将使得谐振的光信号的中心波长发生改变，由于谐振的光信号的中心波长与输出的光信号中心波长相同，因此输出的光信号的中心波长也将受到环形波导12的有效折射率的影响。

本发明将在环形波导12的波导芯121的表面涂覆有只与甲烷气体发生共价作用的敏感膜122。由于敏感膜122的折射率在不同浓度的甲烷气体中的变化不同，本发明正是利用敏感膜122的折射率随着甲烷气体浓度的增加而增大的这一特性在敏感膜122折射率和甲烷气体浓度之间建立关系，从而完成对甲烷气体浓度的测量。

本发明的实施例一提供一种利用光波导的微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置，通过微环谐振器10的环形波导12的波导芯121表面涂覆只与甲烷气体发生作用的敏感膜122，使微环谐振器10的环形波导12的有效折射率根据甲烷气体的浓度不同发生改变，并引起输出的光信号的中心波长变化。通过测量输出的光信号的中心波长，推算出相应的甲烷气体浓度。由于本发明的甲烷浓度测试装置测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，因此入射光的角度以及波导材料自身所引起的光强度的衰减对本申请的测量并无影响。本发明的测试装置的测量更加简单，测量条件要求不高，但测量结果更可靠，准确度也更高。

图4本发明实施例二提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图。

在上述实施例一的基础上，本发明还提供一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置的一种具体实施例二。

如图4所示，上述实施例一中的微环谐振器10的环形波导12可使用矩型波导，以方便涂覆敏感膜122和计算其有效折射率。其中，敏感膜122可涂覆于波导芯121的上表面、左侧壁表面和右侧壁表面中的一个或多个表面上，以实现敏感膜122能接触空气中的甲烷气体并发生共价作用即可。本领域技术人员可根据实际情况对敏感膜122的涂覆位置及方法自行选择，本申请在此不做限制。

优选地，敏感膜122的厚度至少为0.5μm。具体的，当光信号在环形波导12的波导芯121中传输时，厚度大于0.5μm的敏感膜122可以避免光信号穿透敏感膜122并传输至敏感膜122以外，造成光信号的损失，使光探测器更加容易测量到输出的光信号。

可选地，本实施例二在实际应用中，各个部件的尺寸可由技术人员根据需要确定，举例来说：波导芯121的宽度和厚度均可设置为1.5μm，下包层123的厚度设置为1.5μm；环形波导12与两条所述平行波导11和13的间距分别设置为1μm；环形波导12的环半径R设置为12.5μm；两条平行波导11和13的长度均设置为100μm。

本实施例二提供的一种利用光波导的微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置是在实施例一的基础上，使用矩型波导作为微环谐振器的环形波导12，并将敏感膜122涂覆于波导芯121的上表面、左侧壁表面和右侧壁表面中的一个或多个表面上，从而能使敏感膜122与甲烷气体充分接触，更好的完成对甲烷浓度的测量。同时，敏感膜122的厚度设定为至少0.5μm，可以避免光信号穿透敏感膜122造成光信号损失，使光探测器更加容易测量到输出的光信号，便于测量装置的使用。

在上述实施例一和二的基础上，本发明还提供一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置的又一具体实施例三。

本实施例三中的敏感膜122只与甲烷气体发生作用，例如，敏感膜122可由化合物穴番A溶液制成。化合物穴番A是一种新型超分子化合物，其对甲烷气体分子有很强的亲和力。当穴番A在有机溶液中时，甲烷气体分子与具有空穴结构的穴番A发生共价作用，选择性地进入穴番A分子的空穴中，引起敏感膜122折射率发生变化，敏感膜122的折射率将随着甲烷浓度的升高而增大。其溶液配制方法可基于现有技术，本发明对此并不做限定。

在上述各实施例的基础上，图5为实施例四提供的又一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置的结构示意图。如图5所示，本发明的实施例四中的甲烷浓度的测试装置还包括：罩在所述衬底上的防尘罩30，微环谐振器10位于所述防尘罩中。优选地，防尘罩30由纳米材料制成，其表面留有小孔31，用于使甲烷气体的分子进入所述防尘罩30内与敏感膜122发生作用，具体的，小孔31的孔径可为0.5μm。其中，防尘罩30的侧壁表面留有尺寸大小与平行波导11和13截面大小相应的切口，使微环谐振器10能与光探测器或测试光源接触。

具体的，当甲烷浓度测试装置在井下使用时，为了防止粉尘的沉降影响微环谐振器10中的敏感膜122的灵敏度特性，实施例四在衬底20上设置防尘罩，并将微环谐振器罩于其中，达到隔离粉尘的作用。同时，防尘罩30由纳米材料制成，其表面留有小孔31，使得甲烷气体的分子能够顺利进入防尘罩30内，确保微环谐振器10中的敏感膜122最大限度的与甲烷气体接触和作用。

本实施例四提供了又一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置，通过在微环谐振器10外设置的防尘罩30，使井下作业时的粉尘不与微环谐振器10上的敏感膜122接触。同时，在防尘罩30的表面留有小孔31，使得甲烷气体的分子能够顺利进入防尘罩30内，并与敏感膜122进行作用，实现对甲烷浓度的测量，保证测量准确度。

基于上述任一项实施例甲烷浓度的测试装置，本发明实施例五提供一种使用任一项上述测试装置的甲烷浓度的测量方法。图6为本发明实施例五提供的一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测试方法的流程示意图，如图6所示，方法包括：

步骤501、将测试光源发出的光信号输入微环谐振器中两条平行波导中的其中一条，光信号通过在涂覆有敏感膜的环形波导中谐振后进入另一条平行波导，测量所述另一条平行波导输出的光信号的波长。

具体的，本发明提供的甲烷浓度测试方法通过将测试光源提供的光信号从微环谐振器10的其平行波导11的A口输入，沿平行波导11传输至平行波导11与环形波导12临近的区域，并发生耦合，输入的光信号进入环形波导12中。而由于环形波导12的环形结构，输入的光信号将在不停的旋转并发生谐振，当绕环形波导传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍时，光信号将得到增加变为谐振后的光信号。而谐振后的光信号传输至环形波导12与平行波导13临近的区域时，再次发生耦合，进入平行波导13，并沿着平行波导13传输至B口，最终形成输出的光信号。其中，当光信号在环形波导12中发生谐振时，环形波导12的有效折射率的改变将使得谐振的光信号的中心波长发生改变，由于谐振的光信号的中心波长与输出的光信号中心波长相同，因此输出的光信号的中心波长也将受到环形波导12的有效折射率的影响。因为在环形波导12的波导芯121表面涂覆有只与甲烷气体发生作用的敏感膜122，而敏感膜122在不同浓度下的甲烷气体中会发生折射率的变化，敏感膜122的折射率将随着甲烷气体浓度的增加而增大。同时，涂覆有敏感膜122的环形波导12的有效折射率发生改变，从而改变输出的光信号中心波长。

步骤502、根据公式(1)，计算所述微环谐振器中环形波导的有效折射率N：

$N=\frac{{\mathrm{m\λ}}_m}{2\mathrm{\π}R}---\left(1\right)$

其中，m为输出的光信号中谐振级数，λ_m为输出的光信号中谐振级数为m的光信号的中心波长，R为环形波导的环形半径。

为使本发明更容易理解，可通过具体实例进一步对本发明原理进行陈述。将测量装置的参数设置如下：环形波导12为矩型波导，环形波导12与两条平行波导11和13的间距分别为1μm；环形波导12的环半径R为12.5μm；两条所述平行波导11和13的长度均为100μm，测试光源为中心波长为1.55μm的激光。波导芯121的宽度和厚度均为1.5μm，折射率为1.6278。其下表面设置有折射率为1.465，厚度为1.5μm的下包层123。敏感膜122涂覆在波导芯的上表面，厚度为0.5μm，折射率为n。

将在步骤501中测得平行波导13输出的光信号的中心波长λ_m代入公式(1)中，求出环形波导12的有效折射率N。

步骤503、根据公式(2)，计算所述波导芯各表面外介质的折射率：

$\begin{array}{c}{N}^2={n_1}^2-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}a/\mathrm{\λ}\right)+{\left({n_1}^2-{n_3}^2\right)}^{-1/2}+{\left({n_1}^2-{n_5}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\\ -\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}b/\mathrm{\λ}\right)+n_2^2{\left({n_1}^2-{n_2}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2+n_4^2{\left({n_1}^2-{n_4}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2\]}^2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，n₁为环形波导的波导芯的折射率，n₂为环形波导的下包层的折射率，n₃为所述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，n₄为所述波导芯的上表面外介质的折射率，n₅为所述波导芯的右侧壁表面外介质的折射率，a为波导芯的宽度，b为波导芯的厚度，λ为测试光源的中心波长。

具体的，图7为本发明实施例五提供的矩型波导传输原理中的有效折射率的计算示意图。在矩型波导传输原理中，如图7所示，通常将矩型波导分为9个部分分别进行计算，为了简化分析，往往忽略光在阴影部分的传输，只讨论光信号在其他5个部分中的的传输，因此，矩型波导的有效折射率的近似表达式为：

$\begin{array}{c}{N}^2={n_1}^2-\frac{\left(s+1\right){\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}a/\mathrm{\λ}\right)+c_3{\left({n_1}^2-{n_3}^2\right)}^{-1/2}+c_5{\left({n_1}^2-{n_5}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\\ -\frac{\left(t+1\right){\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}b/\mathrm{\λ}\right)+c_2{\left({n_1}^2-{n_2}^2\right)}^{-1/2}+c_4{\left({n_1}^2-{n_4}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\end{array}$

其中，n₁为环形波导的波导芯的折射率，n₂为环形波导的下包层的折射率，n₃为所述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，n₄为所述波导芯的上表面外介质的折射率，n₅为所述波导芯的右侧壁表面外介质的折射率，a为波导芯的宽度，b为波导芯的厚度，λ为测试光源的中心波长，s和t为测试光源的模式阶数，c²、c³、c⁴、c⁵为模式常数。

而在本发明中，由于波导芯121的宽度和厚度均为1.5μm，测试光源为中心波长为1.55μm，因此，在波导芯121中仅有单模的光信号传输，此时s＝t＝0，而c²、c³、c⁴、c⁵的取值则为 $c_i=\left\{\begin{array}{cc}{n_i}^2/{n_1}^2& ,(i=2,4)\\ 1& ,(i=3,5)\end{array}\right..$

环形波导12的有效折射率也将变为：

$\begin{array}{c}{N}^2={n_1}^2-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}a/\mathrm{\λ}\right)+{\left({n_1}^2-{n_3}^2\right)}^{-1/2}+{\left({n_1}^2-{n_5}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\\ -\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}b/\mathrm{\λ}\right)+n_2^2{\left({n_1}^2-{n_2}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2+n_4^2{\left({n_1}^2-{n_4}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2\]}^2}\end{array}$

将利用谐振条件求出的环形波导12的有效折射率N代入到环形波导12的有效折射率的表达式中，得到波导芯121各个表面的折射率。

当敏感膜122涂覆于波导芯121的上表面及左右侧壁表面时，波导芯121的折射率n₁＝1.6278；下包层123的折射率n₂＝1.465；波导芯121的上表面及左右侧壁表面均涂覆敏感膜122，其折射率为n，即n₃＝n₄＝n₅＝n；波导芯121的宽度和厚度a＝b＝1.5μm；测试光源的中心波长λ＝1.550μm。

通过敏感膜122的折射率n与相关波导芯121各表面介质的折射率的位置关系的对应，得出敏感膜122的折射率n。

需要说明的是，本领域技术人员可根据具体情况对介质材料进行改变，同时对步骤503的计算过程进行改进，例如：当敏感膜122仅涂覆在波导芯121上表面时，此时，波导芯121的上表面外介质的折射率n₄＝n；波导芯121的左侧壁表面外介质和右侧壁表面外介质均为空气，其折射率为n₃＝n₅＝1。而当敏感膜122仅涂覆在波导芯121左右侧壁表面时，此时，波导芯121的上表面外介质为空气，其折射率为n₄＝1；波导芯121的左侧壁表面外介质和右侧壁表面外介质均为敏感膜122，其折射率为n₃＝n₅＝n。

步骤504、根据所述波导芯各表面外介质的折射率，获得敏感膜的折射率n，并根据公式(3)计算甲烷浓度C：

n＝αC+β(3)

其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。

图8为本发明实施例五提供的敏感膜122的折射率与甲烷浓度之间的关系。经过研究人员对敏感膜122的折射率与甲烷浓度的关系的研究可知，敏感膜122的折射率与甲烷浓度成线性关系，可用关系式n＝αC+β表示，其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。

例如，如图8所示，通过预先测试可得出该装置敏感膜与折射率n与甲烷浓度C之间的关系方程为：n＝0.053C+1.412。

将上述得出的敏感膜122的折射n代入其中，并得出甲烷浓度C：

经过上述步骤，测得的输出的光信号的中心波长λ_m为1.5683μm，计算出的甲烷浓度C为15％。

需要说明的是，在本发明实施例五提供的利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测试方法中，在每次测量甲烷浓度前，需将测试装置放置于甲烷浓度为0％的环境中进行谐振波长参考值的测量。具体的，可将甲烷浓度测试装置放在空气流通的地方，并获得甲烷浓度为0％时输出光信号的中心波长。当实际测量甲烷浓度时，需要使所测得的输出的光信号的中心波长λ_m与甲烷浓度为0％时的输出光信号的中心波长的波长差，小于微环谐振器10的自由光谱区的数值。例如，在上述实施例五中的自由光谱区的数值为18.13nm，而在预先测得的甲烷浓度为0％时的输出光信号的中心波长为1.5674μm，其与测得甲烷浓度为15％时的输出的光信号的中心波长λ_m的波长差为0.9nm，小于自由光谱区的数值18.13nm，因此结果是准确可信的。而若上述波长差大于自由光谱区的数值18.13nm时，则会由于无法判定测得的输出的光信号属于哪一个谐振峰，对测量结果产生较大影响。

本发明实施例五提供利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量方法，通过在微环谐振器10的环形波导12的波导芯121表面涂覆有只与甲烷气体发生作用的敏感膜122，使环形波导的12有效折射率根据甲烷气体的浓度不同发生改变，并引起其内谐振后并输出的光信号的中心波长变化。通过测量输出的光信号的中心波长，计算出相应的甲烷气体浓度。由于本发明的甲烷浓度测试装置及方法测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，入射光的角度以及材料自身所带来的对光强的衰减对本申请的测量并无影响，因此，本发明的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试方法的测量准确度更高，结果更可靠。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置，其特征在于，包括：衬底和固定设置在所述衬底上的微环谐振器；

其中，所述微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成；所述环形波导设置于所述两条平行波导之间；

所述环形波导包括下包层、设置在所述下包层上的波导芯、以及涂覆在所述波导芯表面的敏感膜，所述敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使所述环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。

2.根据权利要求1所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，

所述环形波导包括矩型波导。

3.根据权利要求2所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，

所述敏感膜涂覆于所述波导芯的上表面、左侧壁表面和右侧壁表面中的一个或多个表面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，

所述敏感膜的厚度至少为0.5μm。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，所述敏感膜由穴番A溶液制成。

6.根据权利要求2或3所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，

所述波导芯的宽度和厚度均为1.5μm，所述下包层的厚度为1.5μm；

所述环形波导与两条所述平行波导的间距分别为1μm；

所述环形波导的环半径为12.5μm；

两条所述平行波导的长度均为100μm。

7.根据权利要求1所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，还包括：

罩在所述衬底上的防尘罩，所述微环谐振器位于所述防尘罩中。

8.根据权利要求7所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，所述防尘罩由纳米材料制成，所述防尘罩的表面设置有预设孔径的通孔，用于使甲烷气体的分子进入所述防尘罩内与所述敏感膜发生作用。

9.一种使用如权利要求1-8中任一项所述的甲烷浓度的测试装置进行甲烷浓度测试的方法，其特征在于，包括：

将测试光源发出的光信号输入微环谐振器中两条平行波导中的其中一条，光信号通过在涂覆有敏感膜的环形波导中谐振后进入另一条平行波导，测量所述另一条平行波导输出的光信号的中心波长；

根据公式(1)，计算所述微环谐振器中环形波导的有效折射率N：

$N=\frac{{\mathrm{m\λ}}_m}{2\mathrm{\π}R}---\left(1\right)$

其中，m为输出的光信号中谐振级数，λ_m为输出的光信号中谐振级数为m的光信号的中心波长，R为环形波导的环形半径；

根据公式(2)，计算所述波导芯各表面外介质的折射率：

$\begin{array}{c}{N}^2={n_1}^2-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}a/\mathrm{\λ}\right)+{\left({n_1}^2-{n_3}^2\right)}^{-1/2}+{\left({n_1}^2-{n_5}^2\right)}^{-1/2}\]}^2}\\ -\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{\[\left(2\mathrm{\π}b/\mathrm{\λ}\right)+n_2^2{\left({n_1}^2-{n_2}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2+n_4^2{\left({n_1}^2-{n_4}^2\right)}^{-1/2}/n_1^2\]}^2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，n₁为环形波导的波导芯的折射率，n₂为环形波导的下包层的折射率，n₃为所述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，n₄为所述波导芯的上表面外介质的折射率，n₅为所述波导芯的右侧壁表面外介质的折射率，a为波导芯的宽度，b为波导芯的厚度，λ为测试光源的中心波长；

根据所述波导芯各表面外介质的折射率，获得敏感膜的折射率n，并根据公式(3)计算甲烷浓度C：

n＝αC+β(3)

其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。

10.根据权利要求9所述的甲烷浓度的测试方法，其特征在于，

所述测试光源为激光，所述激光的中心波长为1.55μm。