CN110726689A - 一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用，包括气室，入气孔和排气孔，特点是气室内设置有用于输出气体光强信号和气体压强信号的光波导芯片、入射光纤、第一出射光纤和第二出射光纤；光波导芯片包括芯片衬底，芯片衬底上设置有Y型分支光波导，Y型分支光波导的输入端与入射光纤耦合连接，Y型分支光波导的一根输出波导上设置有微环谐振器且Y型分支光波导的相应输出波导的输出端与第一出射光纤耦合连接，Y型分支光波导的另一根输出波导的输出端连接有螺旋形波导，螺旋形波导的输出端与第二出射光纤耦合连接，微环谐振器和螺旋形波导均采用金属辅助硅槽型波导结构，优点是性能稳定，灵敏度高，体积小且易集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种气敏传感器测试器，尤其是涉及一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用。
背景技术
随着工业的发展，针对环境污染以及工业生产中的气体管理，气体传感器的应用具有越来越重要的意义。特别是近年来，天然气作为一种清洁的化石能源，越来越受到许多国家的青睐。因此在甲烷的运输，使用，管理过程中，由于甲烷是一种易燃易爆气体，因此采用甲烷传感器对其进行实时的检测是十分必要的。传统的甲烷传感器多采用半导体电阻式结构，由于电源的存在无法防电磁干扰，同时也存在电线老化产生电火花的问题。如果采用较为安全的光学式传感器，则面临有结构复杂，不易于集成化，成本昂贵等问题。因此，采用光波导型气体传感器有助于实现集成化，低成本化的光学型传感器，其同时也具有抗电磁干扰，防电火花等优点，是具有重要意义的技术方案。
目前随着光学材料的不断进步，硅基，玻璃基的各种光波导结构都应运而生。其中硅基光波导由于硅材料在红外波段透明，也是一种很好的红外导光材料，同时还与日趋成熟的微电子技术相兼容。大多数气体分子的特征波段都集中在中红外波段，甲烷也不例外，其在中红外的吸收系数远大于近红外。在中红外波段，传统SOI波导的绝缘层采用SiO2材料，该材料在中红外具有较大损耗，由于SiO2材料在中红外的损耗会导致光强信号的减弱，不利于末端的接收器分辨信号，从而影响分辨率和灵敏度，也会受到噪声信号的干扰，因此降低信号在传输过程中的本征损耗意义重大。另外，在原理基于lamber-beer定律的气体传感器中，气体的压强会影响气体的红外吸收技术，因此快速探知气体压强并实现反馈校准十分有意义。目前一般采用流量计将待测气体保持一定压强，但是过程中由于压强变化带来的红外吸收系数的改变无法避免，因此，该传感器稳定性差，同时这些额外的装置也会增加传感器的体积和能耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种性能稳定，灵敏度高，体积小且易集成的微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，包括气室，所述的气室的一侧设置有用于导入待测样品气体的入气孔且其另一侧设置有用于导出待测样品气体的排气孔，所述的气室内设置有用于输出气体光强信号和气体压强信号的光波导芯片、用于将中红外激光器的光送入所述的光波导芯片的入射光纤、用于将所述的光波导芯片处理过的光信号输入光谱仪的第一出射光纤和用于将所述的光波导芯片处理过的光信号输入光度计的第二出射光纤；所述的光波导芯片包括芯片衬底，所述的芯片衬底上设置有Y型分支光波导，所述的Y型分支光波导的输入端与所述的入射光纤耦合连接，所述的Y型分支光波导的一根输出波导上设置有微环谐振器且所述的Y型分支光波导的相应输出波导的输出端与所述的第一出射光纤耦合连接，所述的Y型分支光波导的另一根输出波导的输出端连接有用于使光场与气氛充分接触并发生红外吸收的螺旋形波导，所述的螺旋形波导的输出端与所述的第二出射光纤耦合连接，所述的微环谐振器和所述的螺旋形波导均采用金属辅助硅槽型波导结构。
所述的金属辅助硅槽型波导结构从下到上依次包括Si3N4下层、贵金属层、Si3N4上层以及顶硅层，所述的顶硅层沿光传输方向设置有凹槽。这种波导的特点是85%以上的光场暴露在气体中，同时还能沿波导稳定传输。采用中红外透明度更好的Si3N4下层材料作为绝缘层替代SiO2，可以减少信号在波导中传输时的本征损耗；贵金属层的作用是实现光场的向上偏移，提高光场与气体的接触。顶硅的作用是光信号的传输层，Si3N4的上层作用是作为金属和顶硅的缓冲层。
所述的贵金属包括金、银或铂。
所述的Si3N4下层的厚度为3-10微米，微米所述的Si3N4上层的厚度为0.5-0.78微米。所述的Si3N4下层达到一定的厚度可防止光场从衬底层中泄露；Si3N4上层厚度的优化设计使芯片灵敏度和分辨力达到最佳。
所述的金属辅助硅槽型波导结构的宽度为2-3微米，所述的凹槽的宽为0.15-0.25微米，高度为0.45-0.55微米，所述的芯片衬底为硅衬底，整个器件的尺寸在微米量级。
所述的耦合连接的方式为采取布拉格光栅垂直耦合型结构。这种结构耦合损耗小、效率高。
所述的中红外激光器采用量子级联激光器作为检测光源实现中红外激光。
上述微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器检测待测气体浓度的方法，包括以下步骤：
（1）将待测气体通过入气孔导入气室，将量子级联激光器发出的检测光由入射光纤导入到Y型分支光波导中；
（2）检测光经Y型分支光波导分光后一部分光信号进入微环谐振器，光信号中的谐振光进入微环谐振器而被锁在微环谐振器里，光信号中的非谐振光直接通过Y型分支光波导输出，输出光谱为谐振波长处的陷波滤波波形，由第一出射光纤输送到光谱仪，通过观察光谱仪上输出光谱中谐振峰的位置，得到当前待测气体的压强数据，并由计算机记录；
（3）另一部分光信号进入螺旋形波导，光场和气室中的待测气体接触，被待测气体吸收，最终的光强由第二出射光纤输送到光度计，根据光度计探测的出射光强与入射光强的关系，同时根据压强数据，计算得到待测气体的浓度，计算公式为：
，其中I为输出光强，I0为输入光强；u为吸光系数，随着气体压强的变化而变化；c为气体浓度；l为光程长，单位为微米。
发明原理：从入射光纤中射出的光垂直耦合入光波导，经过Y型分支光波导分光，分为两部分分别进入微环谐振器和螺旋形波导；在微环谐振器中，当气体压强发生变化，会影响到波导附近折射率的变化，从而是光谱仪中显示的谐振波长发生移动。由于微环谐振器对于环境有效折射率十分敏感，反应很快，可以迅速返回信号补偿气体浓度的计算。在螺旋型波导中，光在螺旋形波导中传输时，光场与气氛充分接触并发生红外吸收，通过计算吸收完成后进入光度计的光强与进入螺旋形波导之前的光强之比，根据比尔—朗伯定律可以得出气室中气体的浓度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开了一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用，Y分支端微环谐振器侧的输出端信号用于检测气体压强，另一端螺旋形波导处的输出信号用于检测气体浓度，其中压强端的信号可根据测得的压强来补偿浓度端的信号。输出端分别连接着用于探测光谱的光谱仪和用于探测光强的光度计，即该光学传感芯片采用微环谐振器实现气压传感，同时通过计算机补偿气体传感的精度，采用螺旋形波导利用特定波长的光谱吸收计算出气体的浓度，优点如下：
（1）灵敏度高：采用了特殊的金属辅助型硅槽型波导作为传感单元，采用槽型结构保证了85%以上的传输光强暴露在气氛中，同时还能沿波导稳定传输，和其他光波导型传感器相比具有更高的灵敏度；
（2）传输损耗的减小：金属辅助型硅槽型波导结构所使用材料从上至下依次为Si-Si3N4-Ag-Si3N4-Si，采用Si3N4材料替代SiO2材料，由于Si3N4在中红外波段损耗很小实现传输损耗的减小，采用金属后传输模场向上偏移（由于金属的折射率小于1，因此受金属影响，计算出来的传输模式光场向上偏移了），与气体接触面积增大，提高了灵敏度；
（3）精确度高、稳定性好：传统的气体传感器无法感知待测空间内气室的气压，只能用常规吸收系数计算，而本发明传感器中还包括一个压强检测单元，采用微环谐振器气压传感器可实现气压的实时快速测量来确定该压强下的吸收系数，并同时补偿由于压强变化带来的红外吸收系数的改变，通过测量气压的微环谐振器的快速响应为气体浓度测量提高精度；并且其对快速变化的气压环境的适应性好，提高了器件稳定性；
（4）集成度高：本发明的结构尺寸在微米量级，可实现大规模集成，制作时由于采用MEMS技术，重复性好；
（5）耦合效率高：光纤与波导耦合方式采取布拉格光栅垂直耦合型结构，这种结构耦合效率高。由于采用硅基衬底，可与微电子器件兼容，同做在一个芯片里制成芯片集成型器件，波导为纳米级尺寸，光纤的直径也不超过10微米，因此对准需要高精度仪器，一点误差都会严重影响器件性能。相比苛刻的端面耦合，垂直耦合容忍度稍大一点。因此，使用光纤引探测光耦合入布拉格光栅的形式，无需高精度对准，也能较高效率地将光信号引入。
综上所述，本发明一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用，该传感器利用芯片技术，将气体传感和压强传感集成，实现压强信号的快速获取和反馈，从而解决压强造成的误差，也提高了对于不同压强环境的适应性，具有性能稳定，灵敏度高，体积小，集成度高等优点，特别在低浓度小型化检测方面具有显著优势。
附图说明
图1为本发明微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器的结构示意图；
图2为本发明光波导芯片的结构示意图；
图3为本发明金属辅助硅槽型波导的结构示意图；
图4为加银与不加银的同尺寸金属辅助硅槽型波导的传输模场对比图；
图5为不同压强时微环谐振器的输出光谱的中心波长微小变化图；
图6为气体压强与中心波长偏移量之间的距离线性关系示意图；
图7为不同气压下气体浓度与气体吸收比之间的曲线图，当气压在1个大气压，0.5个大气压和1.5个大气压时，分别为三条不同的变化曲线；
图8为Si3N4上层厚度与模式有效折射率之间的关系；
图9为Si3N4上层厚度与消逝场分数之间的关系；
图10为Si3N4上层厚度与波导损耗之间的关系；
图11为Si3N4上层厚度与传输长度之间的关系。
其中图中各标注如下：1-气室，2-入气孔，3-排气孔，4-入射光纤，5-第一出射光纤，6-第二出射光纤，7-光波导芯片， 8-第一布拉格耦合器，9-微环谐振器，10-螺旋形波导，11-芯片衬底，12-Y型分支光波导，13-第二布拉格耦合器，14-第三布拉格耦合器，15-金属辅助硅槽型波导，16-Si3N4下层，17-贵金属层，18-Si3N4上层，19-顶硅层，20-凹槽。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例一
一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，如图1所示，包括气室1，气室1的一侧设置有用于导入待测样品气体的入气孔2且其另一侧设置有用于导出待测样品气体的排气孔3，气室1内设置有用于输出气体光强信号和气体压强信号的光波导芯片7、用于将中红外激光器的光送入光波导芯片7的入射光纤4、用于将光波导芯片7处理过的光信号输入光谱仪的第一出射光纤5和用于将光波导芯片7处理过的光信号输入光度计的第二出射光纤6；如图2所示，光波导芯片7包括芯片衬底11，芯片衬底11上设置有Y型分支光波导12，Y型分支光波导12的输入端与入射光纤4耦合连接，Y型分支光波导12的一根输出波导上设置有微环谐振器9且Y型分支光波导12的相应输出波导的输出端与第一出射光纤5耦合连接，Y型分支光波导12的另一根输出波导的输出端连接有用于使光场与气氛充分接触并发生红外吸收的螺旋形波导10，螺旋形波导10的输出端与第二出射光纤6耦合连接，微环谐振器9和螺旋形波导10均采用金属辅助硅槽型波导15结构。
在此具体实施例中，如图3所示，金属辅助硅槽型波导15结构从下到上依次包括Si3N4下层16、贵金属层17、Si3N4上层18以及顶硅层19，顶硅层19沿光传输方向设置有凹槽20。贵金属包括金、银或铂。Si3N4下层16的厚度为3-10微米，Si3N4上层18的厚度为0.5-0.78微米。金属辅助硅槽型波导15结构的宽度为2-3微米，凹槽20的宽为0.15-0.25微米，高度为0.45-0.55微米，芯片衬底11为硅衬底，整个器件的尺寸在微米量级。耦合连接的方式为采取布拉格光栅垂直耦合型结构，其中Y型分支光波导12的输入端与入射光纤4通过第一布拉格耦合器8耦合连接，Y型分支光波导12的其中一个输出端与第一出射光纤5通过第二布拉格耦合器13耦合连接，螺旋形波导10的输出端与第二出射光纤6通过第三布拉格耦合器14耦合连接。中红外激光器采用量子级联激光器作为检测光源实现中红外激光。
具体实施例二
一种利用上述具体实施例一中微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器检测待测气体浓度的方法，包括以下步骤：
（1）将待测气体通过入气孔2导入气室1，将量子级联激光器发出的检测光由入射光纤4导入到Y型分支光波导12中；
（2）检测光经Y型分支光波导12分光后一部分光信号进入微环谐振器9，光信号中的谐振光进入微环谐振器9而被锁在微环谐振器9里，光信号中的非谐振光直接通过Y型分支光波导12输出，输出光谱为谐振波长处的陷波滤波波形，由第一出射光纤5输送到光谱仪，通过观察光谱仪上输出光谱中谐振峰的位置，得到当前待测气体的压强数据，并由计算机记录；
（3）另一部分光信号进入螺旋形波导10，光场和气室1中的待测气体接触，被待测气体吸收，最终的光强由第二出射光纤6输送到光度计，根据光度计探测的出射光强与入射光强的关系，同时根据压强数据，计算得到待测气体的浓度，计算公式为：
，其中I为输出光强，I0为输入光强；u为吸光系数，随着气体压强的变化而变化；c为气体浓度；l为光程长，单位为微米。
具体实施例三
根据甲烷气体的测量设计该型传感器并进行实例测量
由于甲烷气体的特征吸收峰为3.31um波长，因此需要根据该波长优化设计合适的金属辅助硅槽型波导15结构，并设置合适的Ag层17以及Si3N4上层18的厚度来实现该特征波长下传输模场与外界气体的最大接触。根据计算，此时的波导槽宽0.1um，波导宽度为1.1um（包括槽宽），波导高度为0.5um。 Si3N4上层18的厚度为0.05um。Ag层17的厚度为2um， Si3N4下层16为3um。如图4所示，此时与不加银的同尺寸槽型波导相比，加银波导的传输模场明显上移，提高了光场与环境气体的接触面积，从而提高了灵敏度。
测量时，将配比好的一定浓度的甲烷气体通入气室1，打开红外激光器，此时中心波长为3.31um的红外激光通过光纤和布拉格耦合器进入波导，在Y分支处分成两部分，一部分进入上分支的微环谐振器9。此处微环谐振器9设计为一个压强传感器，微环谐振器9的设计波长为3.31um。根据输出部分的光谱仪进行光谱分析，归一化后可以得到陷波滤波波形，根据陷波处中心波长的未知可以对应得出当前的压强。由于微环谐振器9的响应速度远大于气体吸收，所以在下分支的探测结果得出之前就可以将压强信号反馈给上位计算机。上位计算机根据当前压强迅速得出目前的气体吸收系数。在下分支中，光信号通过螺旋形波导10（波导采用槽型带金属波导），由于螺旋形波导10在小面积内提供了很长的光路，根据比尔朗博定律通过计算输出光强与输入光强的差值可以得出气体浓度。公式为
，其中c为气体浓度，l为光程，μ为此时压强下的气体吸收系数。最终得到的气体浓度结果如下：如图5所示，当气体浓度变化时，微环谐振器9的输出光谱的中心波长会发生微小变化，由图5可知当气体压强变大时，微环谐振器的中心波长发生红移。
如图6所示，气体压强与中心波长偏移量之间的距离关系，由图6可知，该变化趋势具有线性特点。
如图7所示，显示了气体浓度与气体吸收比之间的曲线图，当气压在1个大气压，0.5个大气压和1.5个大气压时，分别为三条不同的变化曲线，所以可以通过得到的气体吸收率和压强结果准确确定当前甲烷的气体浓度。这次测量的测量范围为0.01%-5%。
具体实施例四
传感器的灵敏度和波导外消逝场分数密切相关，而消逝场的分布又与模式的等效折射率有关。此外波导传输光的过程中，损耗与传感器的探测极限和精准度有关，光的传输长度则决定微环的长短取值空间。因此，图8-图11这四个图分别表示了在不同硅波导宽度上，Si3N4上层18的厚度对这四个重要参数的影响，而这四个参数又决定了传感器的性能。
图8表示了Si3N4上层18厚度与模式有效折射率之间的关系，在0.01-0.4的取值区间内具有较好的正向线性关系；图9表示了Si3N4上层18厚度与消逝场分数之间的关系，除0.1微米处具有一个小凹陷，其他各点具有较好的线性关系，消逝场分数随厚度的增加而下降。
图10表示了Si3N4上层18厚度与波导损耗之间的关系，具有一定的线性度，斜率受硅波导的宽度影响；图11表示了Si3N4上层18厚度与传输长度之间的关系，随着厚度的增长，传输距离呈指数型增长，随着硅波导的宽度增加，传输距离的增长加速。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，包括气室，所述的气室的一侧设置有用于导入待测样品气体的入气孔且其另一侧设置有用于导出待测样品气体的排气孔，其特征在于：所述的气室内设置有用于输出气体光强信号和气体压强信号的光波导芯片、用于将中红外激光器的光送入所述的光波导芯片的入射光纤、用于将所述的光波导芯片处理过的光信号输入光谱仪的第一出射光纤和用于将所述的光波导芯片处理过的光信号输入光度计的第二出射光纤；所述的光波导芯片包括芯片衬底，所述的芯片衬底上设置有Y型分支光波导，所述的Y型分支光波导的输入端与所述的入射光纤耦合连接，所述的Y型分支光波导的一根输出波导上设置有微环谐振器且所述的Y型分支光波导的相应输出波导的输出端与所述的第一出射光纤耦合连接，所述的Y型分支光波导的另一根输出波导的输出端连接有用于使光场与气氛充分接触并发生红外吸收的螺旋形波导，所述的螺旋形波导的输出端与所述的第二出射光纤耦合连接，所述的微环谐振器和所述的螺旋形波导均采用金属辅助硅槽型波导结构。
2.根据权利要求1所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的金属辅助硅槽型波导结构从下到上依次包括Si3N4下层、贵金属层、Si3N4上层以及顶硅层，所述的顶硅层沿光传输方向设置有凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的贵金属包括金、银或铂。
4.根据权利要求2所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的Si3N4下层的厚度为3-10微米，所述的Si3N4上层的厚度为0.5-0.78微米。
5.根据权利要求4所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的金属辅助硅槽型波导结构的宽度为2-3微米，所述的凹槽的宽为0.15-0.25微米，高度为0.45-0.55微米，所述的芯片衬底为硅衬底，整个器件的尺寸在微米量级。
6.根据权利要求1所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的耦合连接的方式为采取布拉格光栅垂直耦合型结构。
7.根据权利要求1所述的一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器，其特征在于：所述的中红外激光器采用量子级联激光器作为检测光源实现中红外激光。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器检测待测气体浓度的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将待测气体通过入气孔导入气室，将量子级联激光器发出的检测光由入射光纤导入到Y型分支光波导中；
（2）检测光经Y型分支光波导分光后一部分光信号进入微环谐振器，光信号中的谐振光进入微环谐振器而被锁在微环谐振器里，光信号中的非谐振光直接通过Y型分支光波导输出，输出光谱为谐振波长处的陷波滤波波形，由第一出射光纤输送到光谱仪，通过观察光谱仪上输出光谱中谐振峰的位置，得到当前待测气体的压强数据，并由计算机记录；
（3）另一部分光信号进入螺旋形波导，光场和气室中的待测气体接触，被待测气体吸收，最终的光强由第二出射光纤输送到光度计，根据光度计探测的出射光强与入射光强的关系，同时根据压强数据，计算得到待测气体的浓度，计算公式为：，其中I为输出光强，I0为输入光强；u为吸光系数，随着气体压强的变化而变化；c为气体浓度；l为光程长，单位为微米。
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