CN107894394A - 一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential

Abstract

本发明公开了一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，包括宽带光源、两个环形谐振腔和一个探测器；两个环形谐振腔通过一根共用的直波导相互耦合；其中一个环形谐振腔的波导表面与被测液体接触，是传感环形谐振腔；另外一个环形谐振腔的波导表面有上包层，不与被测液体相接触，是参考环形谐振腔。参考环形谐振腔旁边有用于加热的金属电极。本发明利用由于被测液体的折射率发生变化，引起传感环形谐振腔的有效折射率变化，而参考环形谐振腔的有效折射率没有改变，从而导致两个环形波导谐振腔直通端级联后的光谱包络产生变化，最终使得输出的光强发生变化。通过测量输出功率的变化，可以获得被测液体折射率的变化信息。

Description

一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器。
背景技术
光学传感器广泛应用于食品安全，生物化学、环境监测和医疗健康等领域。光学传感器具有可直接探测生物分子反应，且不受电磁干扰、高灵敏度以及易于与光纤连接等一系列优势。基于SOI的集成光波导传感器，可以与CMOS工艺兼容，易于实现大规模生产，因此获得了广泛的研究。
环形谐振腔的谐振波长随着与环形波导接触的液体折射率变化而变化。将两个环形谐振腔下载端级联，形成游标效应，可以大大增加传感器的灵敏度。双环下载端级联的传感器可工作在强度探测模式，只需要宽带光源和探测器，避免了昂贵的可调谐激光器和高分辨率的光谱仪，在增大灵敏度的同时，降低了传感器的成本。但是这种传感器的输出光功率比较低，需要高功率的入射光源或者高灵敏度的功率探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，通过调谐加热的金属电极使得第一个环形谐振腔与所述第二个环形谐振腔的光学长度相同，或者在宽带光源光谱范围内至少有一个相同的谐振频率，从而形成游标效应。当被测液体的折射率发生改变时，引起第二个环形谐振腔的有效折射率变化，从而使得第一个环形谐振腔与第二个环形谐振腔的谐振频率均不重合，因此输出光的功率会下降。通过测量输出功率的变化，可以获得被测液体折射率的变化信息。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，包括宽带光源、直波导、第一个形环谐振腔、第二个环形谐振腔、探测器；所述第一个环形谐振腔通过直波导与所述第二个环形谐振腔级联；所述直波导的输入端与宽带光源相连接；所述直波导的输出端与探测器相连接；所述第一个环形谐振腔的波导表面有上包层，不与被测液体接触，是参考环形谐振腔；所述第二个环形谐振腔的波导表面与被测液体接触，是传感环形谐振腔；所述参考环形谐振腔旁边有用于加热的金属电极。
进一步地，通过调谐所述加热的金属电极，使得所述第一个环形谐振腔与所述第二个环形谐振腔的光学长度相同，或者在宽带光源光谱范围内至少有一个相同的谐振频率，从而形成游标效应。
本发明具有的有益效果是：本发明在使用廉价的宽带光源降低传感器成本的基础上，将环形谐振腔的直通端级联，在利用游标效应增大传感器灵敏度的同时，使输出功率大大增加，降低了对探测器性能的要求，进一步降低传感器成本。
附图说明
图1为本发明基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器示意图；
图2为宽带光源的光谱图；
图3为传感环形谐振腔有效折射率变化δn时，传感器透射率变化示意图；
图4为传感环形谐振腔有效折射率变化δn，探测器接收到的归一化功率变化示意图；
图中，宽带光源1、直波导2、第一个形环谐振腔3、第二个环形谐振腔4、探测器5、被测液体6、加热的金属电极7。
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。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，包括宽带光源1、直波导2、第一个形环谐振腔3、第二个环形谐振腔4、探测器5；所述第一个环形谐振腔3通过直波导2与所述第二个环形谐振腔4级联；所述直波导2的输入端与宽带光源1相连接；所述直波导2的输出端与探测器5相连接；所述第一个环形谐振腔3的波导表面有上包层，不与被测液体6接触，是参考环形谐振腔；所述第二个环形谐振腔4波导表面与被测液体6接触，是传感环形谐振腔。所述参考环形谐振腔旁边有用于加热的金属电极7。
宽带光源1发出的光通过直波导2与第一个环形谐振腔3相耦合；不与第一个环形谐振腔3谐振的光，通过直波导2与第二个环形谐振腔4相耦合；不与第一个环形谐振腔3和第二个环形谐振腔4谐振的光，通过直波导2进入探测器5；被测液体6折射率的改变，引起第二个环形谐振腔4的有效折射率改变，进而改变了第二个环形谐振腔4的谐振频率，因此导致了探测器5接受到的光强度发生变化；传感器中除第二个环形谐振腔4与被测液体6接触外，其他区域均不与被测液体6接触。
所述宽带光源1的中心波长λ＝1.55μm，偏振态为TM模式，对峰值功率做归一化的光谱曲线如图2所示，光源最大的峰值波长在1.55μm。本实例中，第一个环形谐振腔3的有效折射率n1和第二个环形谐振腔4的有效折射率n2初始状态均为3.2，即n1＝n2＝3.2，利用加热的金属电极7，进行调节使得第一个环形谐振腔3和第二个环形谐振腔4的光学长度相等，本实例中假设均为L＝155μm；每个环形谐振腔内振幅透射系数的平方均为a2＝0.5。直波导2与第一个环形谐振腔3和第二个环形谐振腔4的耦合系数平方均为k2＝0.35，t1和t2分别为光经过第一个环形谐振腔3和第二个环形谐振腔4后的透射系数，表示为：
其中，根据公式(1)，传感器的透射率T表示为：
T＝|t1*t2|2 (2)
当第二个环形谐振腔4的有效折射率n2变化δn＝5×10-3时，传感器的透射率T的变化如图3所示。由图可见，大部分能量透过了传感器，因此探测器5接收到的功率高。当第二个环形谐振腔4的有效折射率发生变化时，传感器的透射谱线发生了移动，透射谱线与光源的谱线相乘后就可以得到传感器的输出功率，因此探测器5接收到的功率也会发生变化，如图4所示。随着第二个环形谐振腔4有效折射率的增加，传感器的输出功率减少。此实例中，在δn＝0～5×10-3范围内，最高灵敏度达160dB/RIU。如果最小可测得的功率变化为0.01dB，可探测的最小有效折射率变化为6.25×10‐5。
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 (2)

1.一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、直波导(2)、第一个环形谐振腔(3)、第二个环形谐振腔(4)和探测器(5)；所述第一个环形谐振腔(3)通过直波导(2)与所述第二个环形谐振腔(4)级联；所述直波导(2)的输入端与宽带光源(1)相连接；所述直波导(2)的输出端与探测器(5)相连接；所述第一个环形谐振腔(3)的波导表面有上包层，不与被测液体(6)接触，是参考环形谐振腔；所述第二个环形谐振腔(4)的波导表面与被测液体(6)接触，是传感环形谐振腔；所述参考环形谐振腔旁边有用于加热的金属电极(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双环谐振腔直通端级联的光学传感器，其特征在于，通过调谐所述加热的金属电极(7)，使得所述第一个环形谐振腔(3)与所述第二个环形谐振腔(4)的光学长度相同，或者在宽带光源(1)光谱范围内至少有一个相同的谐振频率，从而形成游标效应。
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