CN112255195B - 基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置，该少模氮化硅微环谐振器包括若干个并列设置的波导单元，每个单元由单根用于输入输出的单模直波导和单个用于谐振的少模环形波导组成，单元内的直波导和环形波导置于同一平面上且不相接触，单元间的直波导互相平行，单根单模直波导的两端分别作为输入端和输出端。采用全通型微环谐振器的单根直波导和单个环形波导结构支撑至少一个模式，能够使透射光谱中产生对应基模和高阶模的谐振峰，不同模式的光场对折射率变化的漂移不同，因此可以利用这一特点进行折射率传感的测量。

Description

基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置
技术领域
本发明涉及一种折射率传感领域的技术，具体涉及一种采用SOI方法制作的少模微环谐振器结构，利用波长检测方法进行传感检测的折射率传感器。
背景技术
折射率传感器是一种能够感知波导附近折射率的变化，并且将其转换为输出光学性质的变化的装置，按传感原理的不同分为强度检测和波长检测，前者是通过检测透射光谱中，折射率变化前后，同一波长处光强的变化进行传感检测的，这种方法所用的微环波导具有较高的品质因数，但是由于这种方法只能在谐振峰的附近检测，因此探测极限高，动态范围窄。波长检测方法是通过检测折射率变化前后，微环透射光谱中谐振峰位置的漂移量进行传感检测的，这种方法相比前一种，具有相对较大的探测范围，即波长漂移量在一个自由光谱范围内均可测到，若采用品质因数较高的器件，也可以得到较低的探测极限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置，采用全通型微环谐振器的单根直波导和单个环形波导结构支撑至少一个模式，能够使透射光谱中产生对应基模和高阶模的谐振峰，不同模式的光场对折射率变化的漂移不同，因此可以利用这一特点进行折射率传感的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种少模氮化硅微环谐振器，包括：若干个并列设置的波导单元，每个单元由单根用于输入输出的单模直波导和单个用于谐振的少模环形波导组成，其中：单元内的直波导和环形波导置于同一平面上且不相接触，单元间的直波导互相平行，单根单模直波导的两端分别作为输入端和输出端。
所述的单模，即直波导仅支持一种模式；所述的少模，即环形波导支持2-4个传输模式。
本发明涉及一种基于上述少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置，包括：依次相连的扫频激光器、用于控制输出TE模式的偏振控制器、配置待测液体的上述少模氮化硅微环谐振器、聚焦机构、光电探测器、检测传感模块和信号发生器，其中：扫频激光器分别输出触发信号至信号发生器，偏振控制器通过单模聚焦组件光纤将扫频光耦合至少模氮化硅微环谐振器的单模直波导中并经环形波导谐振增强和输出，聚焦机构将单模直波导输出的扫频光聚焦后，通过光电探测器得到数字光电信号，由检测传感模块换算得到待测液体的精确折射率。
所述的待测液体滴加于上述少模氮化硅微环谐振器的表面。
所述的换算是指：由于微环附近折射率的细微改变，对波导外部不同模式光场的倏逝光产生影响，导致环内光场以及有效折射率的改变，从而改变微环透射谱中谐振波长的位置
Figure BDA0002121089550000021
Figure BDA0002121089550000022
其中：Δλ为谐振波长的漂移量，λ为谐振波长，ng为待测液体主轴折射率，Δneff为单模聚焦组件光纤的有效折射率；由于不同模式的倏逝光对于外界折射率变化的敏感度不同，因此不同模式对应的谐振波长位置的变化也不同。在透射光谱中，通过测量比较基模和高阶模谐振峰漂移的差值，可用于对微小折射率变化的精确测量。
附图说明
图1为本发明折射率传感装置示意图；
图2为少模氮化硅微环谐振器平面结构示意图；
图中：(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图3为传感原理示意图；
图中：Δλ1、Δλ2分别为折射率改变前后，高阶模和基模对应的谐振波长的漂移量；
图4为不同折射率下的少模氮化硅微环透射谱仿真计算结果；
图5为实施例效果示意图；
图中：a为待测物折射率为n＝1.3335和n＝1.3398时的实验结果；b为待测物折射率为n＝1.5379和n＝1.5786时的实验结果；
图中：1可调谐扫频激光器、2偏振控制器、3片上少模氮化硅微环谐振器、4聚焦组件、5检偏器、6空间光功率计、7空间光电探测器、8信号发生器、9检测传感模块、10单模直波导、11少模环形波导、12聚焦组件光纤、波导宽度d、单模直波导宽度w、波导厚度h、少模环形波导内直径D、间隙x。
具体实施方式
如图2(a)和图2(b)所示，为本实施例涉及的少模氮化硅微环谐振器3，包括：若干个并列设置的波导单元，每个单元由单根用于输入输出的单模直波导10和单个用于谐振的少模环形波导11组成，其中：单元内的直波导和环形波导置于同一平面上且不相接触，单元间的直波导互相平行，单根单模直波导的两端分别作为输入端和输出端。
所述的单根单模直波导为Z形结构。
如图2(b)所示，所述的少模氮化硅微环谐振器3依次设置于硅基底和二氧化硅层上。
所述的单模直波导的宽度为0.6μm-1.5μm，厚度为0.2μm-0.8μm。
所述的少模环形波导的内半径为20μm-40μm，宽度为1.5μm-3μm，厚度为0.2μm-0.8μm。
所述的不相接触是指：直波导与环形波导距离最近处的距离为0.1μm-0.4μm。
所述的少模氮化硅微环谐振器的工作波长为1480nm-1620nm。
所述的单元的个数优选为三个。
如图1所示，为本实施例涉及的基于片上少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置，包括：依次相连的可调谐扫频激光器1、偏振控制器2、片上少模氮化硅微环谐振器3、设置于片上少模氮化硅微环谐振器3输出端的聚焦组件4、空间光电探测器7和检测传感模块9，其中：可调谐扫频激光器1输出触发信号以触发信号发生器8，偏振控制器2将扫频激光器1输出的光耦合到片上少模氮化硅微环谐振器3的直波导10中，在直波导与环形波导的耦合区，即如图2(a)中虚线框出部分，一部分光耦合进入环形波道11并在满足基本谐振条件时发生谐振，即对特定波长的光增强后从直波导10的另一端输出至聚焦组件4，空间光电探测器7将经过聚焦的光信号转换为电信号并输出至检测传感模块9，信号发生器8的输出端与检测传感模块9相连以进行信号同步。
所述的可调谐扫频激光器1的扫频输出波长范围是1480-1620nm，扫频速率为70nm/s。
所述的偏振控制器2通过用于耦合的聚焦组件光纤12与片上少模氮化硅微环谐振器3的输入端相连。
所述的装置优选包括用于校准的检偏器5和用于检查耦合效率的空间光功率计6，其中：检偏器5和空间光功率计6依次设置于聚焦组件4和空间光电探测器7之间，通过将检偏器5调整为固定的角度，调整偏振控制器2的角度至空间光功率计6获得最大示数，此时即为TE模式光。
如图3所示，本实施例涉及上述装置的折射率检测方法，使用针头将待测液体滴加于微环谐振器上，用上述方法调节耦合与偏振，使用可调谐扫频激光器1扫频，并通过检测传感模块9进行数据采样后经换算
Figure BDA0002121089550000031
得到折射率。
所述的采样，设置采集点数为100000个，采样速率为50000点/s，采集一次数据时长为2s。
如图4所示，本实施例使用不同折射率的待测溶液，包括纯水、乙醇水溶液、无水乙醇、甘油水溶液以及煤油和硅油的混合物，进行多次实验测量。
如图5所示，不同折射率的情况下，透射光谱会发生偏移，且偏移量与折射率改变量呈正相关。其中基模对应的波长偏移量和高阶模对应的偏移量不同，高阶模光场由于对折射率变化更敏感，因此偏移量大于基模的偏移量。
图5中(a)的折射率为n＝1.3335和n＝1.3398。
图5中(b)的折射率为n＝1.5379和n＝1.5786。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感装置，其特征在于，包括：依次相连的扫频激光器、用于控制输出TE模式的偏振控制器、配置待测液体的上述少模氮化硅微环谐振器、聚焦机构、光电探测器、检测传感模块和信号发生器，其中：扫频激光器分别输出触发信号至信号发生器，偏振控制器将扫频光耦合至少模氮化硅微环谐振器的单模直波导中并经环形波导谐振增强和输出，聚焦机构将单模直波导输出的扫频光聚焦后，通过光电探测器得到数字光电信号，由检测传感模块换算得到待测液体的精确折射率；
所述的待测液体滴加于上述少模氮化硅微环谐振器的表面；
所述的少模氮化硅微环谐振器包括：若干个并列设置的波导单元，每个单元由单根用于输入输出的单模直波导和单个用于谐振的少模环形波导组成，其中：单元内的直波导和环形波导置于同一平面上且不相接触，单元间的直波导互相平行，单根单模直波导的两端分别作为输入端和输出端。
2.根据权利要求1所述的折射率传感装置，其特征是，所述的单根单模直波导为Z形结构；
所述的不相接触是指：直波导与环形波导距离最近处的距离为0.1μm-0.4μm。
3.根据权利要求1所述的折射率传感装置，其特征是，所述的单模直波导的宽度为0.6μm-1.5μm，厚度为0.2μm-0.8μm；所述的少模环形波导的内半径为20μm-40μm，宽度为1.5μm-3μm，厚度为0.2μm-0.8μm。
4.根据权利要求1所述的折射率传感装置，其特征是，所述的偏振控制器通过用于耦合的聚焦组件光纤与片上少模氮化硅微环谐振器的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的折射率传感装置，其特征是，进一步包括用于校准的检偏器和用于检查耦合效率的空间光功率计，其中：检偏器和空间光功率计依次设置于聚焦组件和空间光电探测器之间，通过将检偏器调整为固定的角度，调整偏振控制器的角度至空间光功率计获得最大示数，此时即为TE模式光。
6.一种根据权利要求1～5中任一所述折射率传感装置的折射率检测方法，其特征在于，将待测液体滴加于微环谐振器上，通过调节耦合与偏振，使用可调谐扫频激光器扫频，并通过检测传感模块进行数据采样后经换算
Figure FDA0003173062720000021
得到折射率，其中：Δλ为谐振波长的漂移量，λ为谐振波长，ng为待测液体主轴折射率，Δneff为单模聚焦组件光纤的有效折射率；
所述的换算是指：由于微环附近折射率的细微改变，对波导外部不同模式光场的倏逝光产生影响，导致环内光场以及有效折射率的改变，从而改变微环透射谱中谐振波长的位置，通过测量比较基模和高阶模谐振峰漂移的差值，实现对微小折射率变化的精确测量。
7.根据权利要求6所述的折射率检测方法，其特征是，所述的可调谐扫频激光器的扫频输出波长范围是1480-1620nm，扫频速率为70nm/s。
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