CN105526971A - 一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，包括宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器；且宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器自左向右依次耦合连接，第一耦合微腔、第二耦合微腔设置在总线波导的同一侧，且通过倏逝场效应分别与总线波导相耦合。本发明中的第一耦合微腔、第二耦合微腔具有不同的谐振波长和不同的光场能量分布比例，第一耦合微腔具有相对更高的折射率响应灵敏度；第二耦合微腔具有相对更高的温度响应灵敏度，利用两个微腔在折射率响应灵敏度和温度响应灵敏度上的显著差异，便能实现在一次测量中同时获得折射率、温度信息。

Description

一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器。

背景技术

折射率和温度在物理、化学、生物等学科领域是两个非常重要的参数指标。液体折射率与液体的物质成分、组成浓度有着直接密切的关系，通过测量液体样本的折射率来推断其组分浓度已成为一种常用的分析测量方法；温度是反映生物物质活性和生化反应速率、过程的重要指标。因此对折射率和温度的精确测量在化工生产、食品检测、生物医药、环境监测等领域有着相当重要的意义。

微型化、集成化、便携化、多功能化已经成为新型光学传感器的主要发展趋势，针对以上几点，基于集成平面光波导的微纳传感器因具有响应快速、灵敏度高、电磁干扰免疫、易于大规模集成制造等优点而受到广泛关注并在近年来取得了飞速的发展。然而由于热光效应的存在，介质的折射率会随环境温度的变化而变化。因此为了避免折射率和温度的交叉敏感问题，在使用集成平面光波导传感器进行高精度测量时就往往需要对温度产生的影响进行额外的补偿，这就给集成平面光波导传感器的实际应用带来了很大的不便。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器。对于传感器来讲，温度的影响至关重要，因此本发明的目的在于消除温度对于折射率传感的影响，或者是在实现折射率测量的同时，得到其温度响应曲线。

一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，包括宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器；且宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器自左向右依次耦合连接，第一耦合微腔、第二耦合微腔设置在总线波导的同一侧，且通过倏逝场效应分别与总线波导相耦合。

所述的宽带光源采用外接的发光二极管。

所述的总线波导为单模传输平面集成光波导。

所述的光探测器为外接的光谱仪，用于测量最终输出光的光谱响应。

所述的第一耦合微腔、第二耦合微腔均与待测物质直接接触，且均为一维光子晶体纳米梁腔。将第一耦合微腔和第二耦合微腔共同组成的传感单元放入到待测物质环境中，输入光信号沿着总线波导中传输时通过倏逝场效应与第一耦合微腔和第二耦合微腔相耦合，在第一耦合微腔对应的谐振波长λ₁处侧向激发第一耦合微腔发生谐振，并在第二耦合微腔对应的谐振波长λ₂处激发第二耦合微腔发生谐振。在光谱仪上得到的输出光谱上就会包含与λ₁和λ₂相对应的两处谐振波谷。由于谐振波长λ₁和λ₂会随所处待测物质的温度和折射率的变化而变化，所以通过光谱仪测量输出光谱中两处谐振波谷的波长漂移量，其中第一耦合微腔的谐振波长偏于短波方向且其光场能量在待测物质中的分布占比较大，因此具有相对更高的折射率响应灵敏度；第二耦合微腔的谐振波长偏于长波方向且其光场能量在芯层物质中的分布占比较大，因此具有相对更高的温度响应灵敏度。从而能够更好的计算得到待测物质的温度和折射率。

当第一耦合微腔、第二耦合微腔共同组成的传感单元放入到待测物质环境中进行传感测量时，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第一耦合微腔相耦合，在第一耦合微腔对应的谐振波长λ₁处激发侧向第一耦合微腔发生谐振，总线波导的输出光谱上就会出现与λ₁对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_1=1-A_1\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}1}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}1}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T₁为经过第一耦合微腔后的透射系数，A₁为归一化系数，λ₁为侧向第一耦合微腔的谐振波长，λ_FWHM1为侧向第一耦合微腔的谐振半极大全宽度，λ为入射波长；

同理，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第二耦合微腔相耦合，在第二耦合微腔对应的谐振波长λ₂处激发第二耦合微腔发生谐振，连接波导的输出光谱上就会出现与λ₂对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_2=1-A_2\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}2}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2)}^2+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}2}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，T₂为经过侧向第二耦合微腔后的透射系数，A₂为归一化系数，λ₂为侧向第二耦合微腔的谐振波长，λ_FWHM2为侧向第二耦合微腔的谐振半极大全宽度，λ为入射波长。

所述的传感器，其特征在于第一耦合微腔、第二耦合微腔通过总线波导形成级联，输入光信号再通过整个级联侧向耦合微腔组成的传感单元在光谱仪上所得到的总透射系数T应为T₁与T₂的乘积：

T＝T₁×T₂(3)

即在光谱仪上得到的输出光谱上会包含与λ₁和λ₂相对应的两处谐振波谷；

同时谐振波长λ₁和λ₂会随所处待测物质的温度和折射率的变化而变化，其变化关系满足：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1=S_{T,\mathrm{cav}1}\×\mathrm{\ΔT}+S_{n,\mathrm{cav}1}\×\mathrm{\Δn}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2=S_{T,\mathrm{cav}2}\×\mathrm{\ΔT}+S_{n,\mathrm{cav}2}\×\mathrm{\Δn}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中Δλ₁和Δλ₂为两处谐振波谷的波长漂移量，S_T，cav1和S_n，cav1为侧向第一耦合微腔的温度和折射率灵敏度，S_T，cav2和S_n，cav2为侧向第二耦合微腔的温度和折射率灵敏度，ΔT和Δn为待测物质的温度和折射率变化量；

最后在利用光谱仪测得输出光谱中两处谐振波谷的波长漂移量后，就能够求解计算得到待测物质的温度和折射率：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δn}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}{S}_{T,\mathrm{cav}1}& S_{n,\mathrm{cav}1}\\ S_{T,\mathrm{cav}2}& S_{n,\mathrm{cav}2}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right)---\left(5\right).$

本发明具有的有益效果是：

(1)基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器结合平面光波导的集成化优势及耦合微腔的高灵敏度特性，具有结构紧凑、制作方法简便、方便携带和成本低的特点。

(2)利用两级耦合微腔级联的方案，通过调整耦合微腔在芯层和待测物质中的光场能量占比，从而使得两级微腔分别对于折射率和温度变化灵敏，从而实现温度折射率双参数测量。

(3)与传统的测量参考传感器的响应来进行补偿的方案相比，本发明只需一次测量，并且具有更高的集成度，从而更具有工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2(a)为第一耦合微腔结构示意图；

图2(b)为第二耦合微腔结构示意图；

图3为本发明的输出光谱响应。

图4(a)谐振波长随待测物质温度变化示意图；

图4(b)谐振波长随待测物质折射率变化示意图。

图中：宽带光源1、总线波导2、第一耦合微腔3、第二耦合微腔4、光探测器5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明。

图1给出了基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器的结构示意图，包括宽带光源1、总线波导2、第一耦合微腔3、第二耦合微腔4和光探测器5；且宽带光源1、总线波导2、第一耦合微腔3、第二耦合微腔4和光探测器5自左向右依次耦合连接，第一耦合微腔3、第二耦合微腔4设置在总线2的同一侧，且通过倏逝场效应分别与总线波导相耦合。

所述的宽带光源1采用外接的发光二极管。

所述的总线波导2为单模传输平面集成光波导。

所述的光探测器5为外接的光谱仪，用于测量最终输出光的光谱响应。

所述的第一耦合微腔3、第二耦合微腔4均与待测物质直接接触，且均为一维光子晶体纳米梁腔。

将第一耦合微腔3、第二耦合微腔4共同组成的传感单元放入到待测物质环境中进行传感测量时，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第一耦合微腔3相耦合，在第一耦合微腔3对应的谐振波长λ₁处激发侧向第一耦合微腔3发生谐振，总线波导的输出光谱上就会出现与λ₁对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_1=1-A_1\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}1}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}1}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T₁为经过第一耦合微腔3后的透射系数，A₁为归一化系数，λ₁为侧向第一耦合微腔3的谐振波长，λ_FWHM1为侧向第一耦合微腔3的谐振半极大全宽度，λ为入射波长。

同理，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第二耦合微腔4相耦合，在第二耦合微腔4对应的谐振波长λ₂处激发第二耦合微腔4发生谐振，连接波导的输出光谱上就会出现与λ₂对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_2=1-A_2\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}2}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2)}^2+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}2}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，T₂为经过侧向第二耦合微腔4后的透射系数，A₂为归一化系数，λ₂为侧向第二耦合微腔4的谐振波长，λ_FWHM2为侧向第二耦合微腔4的谐振半极大全宽度，λ为入射波长。

由于第一耦合微腔3、第二耦合微腔4通过总线波导而形成级联，输入光信号再通过整个级联侧向耦合微腔组成的传感单元在光谱仪上所得到的总透射系数T应为T₁与T₂的乘积：

T＝T₁×T₂(3)

即在光谱仪上得到的输出光谱上会包含与λ₁和λ₂相对应的两处谐振波谷。

谐振波长λ₁和λ₂会随所处待测物质的温度和折射率的变化而变化，其变化关系满足：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1=S_{T,\mathrm{cav}1}\×\mathrm{\ΔT}+S_{n,\mathrm{cav}1}\×\mathrm{\Δn}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2=S_{T,\mathrm{cav}2}\×\mathrm{\ΔT}+S_{n,\mathrm{cav}2}\×\mathrm{\Δn}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中Δλ₁和Δλ₂为两处谐振波谷的波长漂移量，S_T，cav1和S_n，cav1为侧向第一耦合微腔的温度和折射率灵敏度，S_T，cav2和S_n，cav2为侧向第二耦合微腔的温度和折射率灵敏度，ΔT和Δn为待测物质的温度和折射率变化量。

通过以上数学关系，在利用光谱仪测得输出光谱中两处谐振波谷的波长漂移量后，就可以求解计算得到待测物质的温度和折射率：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δn}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}{S}_{T,\mathrm{cav}1}& S_{n,\mathrm{cav}1}\\ S_{T,\mathrm{cav}2}& S_{n,\mathrm{cav}2}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right)---\left(5\right).$

实施例1：

本实施例中，总线波导为高度为220nm的SOI集成平面光波导，第一耦合微腔和第二耦合微腔均为高度为220nm的SOI一维光子晶体纳米梁腔。第一耦合微腔的具体结构如图2(a)所示，连接波导宽度W_wave1为330nm，耦合区间隔g₁为600nm，微腔宽度自中间向左右两端按与中心距离的平方呈逐步递减，其中中心微腔宽度W_center为700nm，边缘微腔宽度W_end为500nm，一维周期性圆孔中心距即一维周期常数a₁为420nm，圆孔半径均为125nm，圆孔总数为37个，圆孔刻蚀深度为220nm。第二耦合微腔的具体结构如图2(b)所示，总线波导宽度W_wave2为420nm，耦合区间隔g₂为400nm，微腔宽度W_cav为700nm，一维周期性圆孔中心距即一维周期常数a₂为340nm，圆孔半径大小自中间向左右两端按与中心距离的平方呈逐步递减，其中中心处最大圆孔半径为125nm，两端最小圆孔半径为85nm，圆孔总数为38个，圆孔刻蚀深度为220nm。图3是基于级联耦合微腔的温度折射率双参数传感器的输出光谱响应。

因为第一耦合微腔的光场能量在待测物质中的分布占比较大，因此具有相对更高的折射率响应灵敏度；第二耦合微腔的光场能量在芯层物质中的分布占比较大，因此具有相对更高的温度响应灵敏度。图4(a)和图4(b)分别是谐振波长随待测物质温度变化示意图和谐振波长随待测物质折射率变化示意图。通过线性拟合得到的灵敏度为S_T，cav1＝0.012nm/℃，S_n，cav1＝274nm/RIU；S_T，cav1＝0.052nm/℃，S_n，cav1＝120nm/RIU。

Claims (7)

1.一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于包括宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器；且宽带光源、总线波导、第一耦合微腔、第二耦合微腔和光探测器自左向右依次耦合连接，第一耦合微腔、第二耦合微腔设置在总线波导的同一侧，且通过倏逝场效应分别与总线波导相耦合。

2.如权利要求1所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于所述的宽带光源采用外接的发光二极管。

3.如权利要求1所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于所述的总线波导为单模传输平面集成光波导。

4.如权利要求1所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于所述的光探测器为外接的光谱仪，用于测量最终输出光的光谱响应。

5.如权利要求1所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于所述的第一耦合微腔、第二耦合微腔均与待测物质直接接触，且均为一维光子晶体纳米梁腔。

6.如权利要求1所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于将第一耦合微腔、第二耦合微腔共同组成的传感单元放入到待测物质环境中进行传感测量时，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第一耦合微腔相耦合，在第一耦合微腔对应的谐振波长λ₁处激发侧向第一耦合微腔发生谐振，总线波导的输出光谱上就会出现与λ₁对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_1=1-A_1\frac{{\mathrm{\λ}}_{FWHM1}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2+{\mathrm{\λ}}_{FWHM1}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，T₁为经过第一耦合微腔后的透射系数，A₁为归一化系数，λ₁为侧向第一耦合微腔的谐振波长，λ_FWHM1为侧向第一耦合微腔的谐振半极大全宽度，λ为入射波长；

同理，输入光信号在总线波导中传输时通过倏逝场效应与第二耦合微腔相耦合，在第二耦合微腔对应的谐振波长λ₂处激发第二耦合微腔发生谐振，连接波导的输出光谱上就会出现与λ₂对应的满足洛伦兹线型的谐振波谷：

$T_2=1-A_2\frac{{\mathrm{\λ}}_{FWHM2}}{4{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2)}^2+{\mathrm{\λ}}_{FWHM2}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，T₂为经过侧向第二耦合微腔后的透射系数，A₂为归一化系数，λ₂为侧向第二耦合微腔的谐振波长，λ_FWHM2为侧向第二耦合微腔的谐振半极大全宽度，λ为入射波长。

7.如权利要求1或6所述的一种基于级联耦合微腔的温度/折射率双参数传感器，其特征在于第一耦合微腔、第二耦合微腔通过总线波导形成级联，输入光信号再通过整个级联侧向耦合微腔组成的传感单元在光谱仪上所得到的总透射系数T应为T₁与T₂的乘积:

T＝T₁×T₂(3)

即在光谱仪上得到的输出光谱上会包含与λ₁和λ₂相对应的两处谐振波谷；

同时谐振波长λ₁和λ₂会随所处待测物质的温度和折射率的变化而变化，其变化关系满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1=S_{T,cav1}\×\mathrm{\Δ}T+S_{n,cav1}\×\mathrm{\Δ}n\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2=S_{T,cav2}\×\mathrm{\Δ}T+S_{n,cav2}\×\mathrm{\Δ}n\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中Δλ₁和Δλ₂为两处谐振波谷的波长漂移量，S_T,cav1和S_n,cav1为侧向第一耦合微腔的温度和折射率灵敏度，S_T,cav2和S_n,cav2为侧向第二耦合微腔的温度和折射率灵敏度，ΔT和Δn为待测物质的温度和折射率变化量；

最后在利用光谱仪测得输出光谱中两处谐振波谷的波长漂移量后，就能够求解计算得到待测物质的温度和折射率：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}n\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}{S}_{T,cav1}& S_{n,cav1}\\ S_{T,cav2}& S_{n,cav2}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2\end{array}\right)---\left(5\right).$