CN113588065B - 基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法，所述装置包括相干光频梳一、相干光频梳二、耦合器件、微腔阵列、合束器、光电探测器以及频谱分析仪；其中所述相干光频梳一用于提供信号光梳；所述相干光频梳二用于提供参考光梳，所述参考光梳具有与所述信号光梳不同的重频；所述耦合器件用于引导光梳传播；所述微腔阵列用于接收超声信号，并基于所述超声信号改变光梳的光强度；所述合束器用于将不同重频的光梳汇合，实现拍频处理；所述光电探测器用于接收光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述频谱分析仪用于对所述电信号进行分析。本发明具有尺寸小、灵敏度高并能够实现基于空间的并行传感的优点。

Description

基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光信号处理领域与超声传感技术领域，尤其涉及一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法。

背景技术

超声探测技术广泛应用于生物医学、工业制造、军事导航等领域。在极端环境，如敏感伤口或危险样本的成像、结合剂检查、功能性眼科成像，或复杂受限环境，如杂散电磁场、受限空间、强制干燥环境等中，无接触的超声检测显得尤为重要。

传统的超声探测主要基于以压电材料(例如压电晶体、压电陶瓷、聚合物等)为代表的超声换能器，利用材料的压电性质，将超声波的压力信号转换为电信号进行测量。近年来，全光学超声探测逐渐被广泛研究，全光学超声传感主要以连续激光作为输入光源，利用超声波对光学系统折射率或干涉条件的改变，光学探测器测量记录系统输出的光强度、光相位变化，以实现对声学信号的传感。例如，超声波作用于一束光通过的两种介质界面，两种介质具有不同的折射率，此时通过探测输出光的强度波动，可以测量超声信号；超声波通过对马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)单路光程的改变，影响干涉后的光强，由此测得声信号。

传统工业用的压电探测器应用广泛，但灵敏度和探测带宽相对较低，且器件尺寸较大，探测无法避免电磁噪声；利用诸如干涉法、折射法的传统的全光学方法的器件的灵敏度和带宽相比基于压电材料的探测器提高有限，同时探测孔径小，器件尺寸大，不易集成，系统不够稳定，不利于诸如光声成像等的后续应用。利用单个光学微腔的超声传感器无法实现基于空间的并行传感。在后续应用，例如光声成像中，需要扫描传感器的位置以达到对空间各个点超声信号进行探测的目的。

利用单个光学微腔的超声传感器无法实现基于空间的并行传感。在后续应用，例如光声成像中，需要扫描传感器的位置以达到对空间各个点超声信号进行探测的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法，用以解决现有技术中存在的缺点或不足。

第一方面，本发明提供一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，包括：相干光频梳一、相干光频梳二、耦合器件、微腔阵列、合束器、光电探测器以及频谱分析仪；

其中所述相干光频梳一用于提供信号光梳；

所述相干光频梳二用于提供参考光梳，所述参考光梳具有与所述信号光梳不同的重频；

所述耦合器件用于引导光梳传播；

所述微腔阵列用于接收超声信号，并基于所述超声信号改变光梳的光强度；

所述合束器用于将不同重频的光梳汇合，实现拍频处理；

所述光电探测器用于接收光信号，并将所述光信号转换为电信号；

所述频谱分析仪用于对所述电信号进行分析。

可选地，所述相干光频梳一和/或相干光频梳二包括微腔光梳和/或光纤光梳。

可选地，所述耦合器件包括集成波导和光纤锥。

可选地，所述微腔阵列基于所述超声信号改变光梳的光强度包括：

所述超声信号的声波压强使微腔发生形变，并且利用腔体材料的光弹效应改变所述腔体材料的折射率，共同作用以改变腔体光学模式的有效折射率，使得腔模式发生移动，从而改变所述光梳的光强度。

可选地，所述微腔阵列采用氮化硅材料来制备。

可选地，所述微腔阵列的自由光谱范围大于或大于等于所述光梳间距的N倍，N为大于一的正数。

可选地，所述微腔阵列的制备包括：

采用在二氧化硅衬底上通过低压化学气相沉积生长氮化硅薄膜，旋涂电子束曝光胶，并用电子束曝光仪定义所述第一和第二集成波导和所述微腔阵列中所有微腔的形状，显影后通过离子束刻蚀处理。

第二方面，本发明提供一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法，使用根据第一方面所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置实现，所述基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法包括：

开启所述相干光频梳一和所述相干光频梳二；

使用所述耦合器件将所述信号光梳导入到所述微腔阵列，所述微腔阵列接收超声信号，并基于所述超声信号改变所述信号光梳的光强度；

使用所述耦合器件将所述信号光梳从所述微腔阵列导入到所述合束器，并且将所述参考光梳从所述相干光频梳二导入到所述合束器，所述信号光梳与所述参考光梳汇合，实现拍频处理，生成拍频光信号；

使用所述光电探测器接收所述拍频光信号，并将所述拍频光信号转换为电信号；

使用所述频谱分析仪对所述电信号进行分析，通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频光信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度，从而实现超声并行传感。

可选地，所述通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度包括：

对所述微腔阵列中不同位置的微腔施加完全相同的超声信号，收集不同频率的拍频信号强度作为空间对应位置的初始探测数据；

将所述电信号与所述初始探测数据进行对比，从而得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度。

本发明提供的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置及方法，通过使用微腔阵列作为传感器，可以减小超声探测器的尺寸，便于集成到片上，并且提高了超声探测的灵敏度，能够实现基于空间的并行传感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法的流程图。

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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光学微腔通过特殊的结构将光局域在微纳尺度，具有高品质因子和小模式体积，因此可以同时在时间和空间上束缚光，极大地增强光与声波的相互作用，提升光学传感灵敏度和探测带宽。在实验中常用的有Fabry-Perot腔、回音壁模式微腔等。对于回音壁模式微腔，当超声信号作用于微腔时，一方面声波压强使微腔发生形变，改变光程和光场分布，另一方面由于材料的光弹效应，压力波改变材料的折射率，两者同时改变微腔光学模式的有效折射率，引起微腔的共振模式发生移动。利用纳米光纤、光波导等与微腔耦合，可以探测微腔的透射谱，将输入光固定在腔模式的斜率最大处，将腔模式移动转变为最大光强度变化。相比一般光学方法，光学微腔传感具有更高的灵敏度，更小的传感面积等优势。

光梳的频谱由一系列频率间隔相等、相位关系稳定的相干激光组成，其形状类似一把梳子，故因此得名。

利用单个光学微腔的超声传感器无法实现基于空间的并行传感。在后续应用，例如光声成像中，需要扫描传感器的位置以达到对空间各个点超声信号进行探测的目的。基于气体、固体以及光纤脉冲激光器产生的光梳，由于激光器的重频直接由腔长决定，过短的激光腔无法得到足够增益，因此无法实现稳定的高重频激光脉冲输出。

本发明利用微腔光梳作为光源，以微腔阵列作为传感器，可以实现光学微腔对于超声信号的空间并行传感。

图1是根据本发明实施例的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置的结构示意图，参考图1，本发明实施例提供的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置包括：相干光频梳一、相干光频梳二、耦合器件、微腔阵列、合束器、光电探测器以及频谱分析仪；

其中所述相干光频梳一用于提供信号光梳；

所述相干光频梳二用于提供参考光梳，所述参考光梳具有与所述信号光梳不同的重频；

在本发明实施例中，需要说明的是，光梳可以使用微腔光梳或光纤光梳等方式生成，微腔光梳可通过如下方式生成：

将泵浦光输入一高品质回音壁模式微腔，当泵浦光的频率被调谐到微腔模式的红失谐处时，由于腔体材料的三阶非线性效应，形成了等频率间隔、具有固定相位的边带，进一步调谐可使得腔内光场演变产生时域孤波，从而在频域上产生锁模的、频率严格等间距的梳齿。微腔光梳的重频频率可以覆盖GHz到THz的范围。

所述耦合器件用于引导光梳传播；

在本发明实施例中，需要说明的是，耦合器件包括集成波导和光纤锥。耦合器件可以将光梳的不同频率的梳齿分别导入具有对应共振频率的微腔中。

所述微腔阵列用于接收超声信号，并基于所述超声信号改变光梳的光强度；

在本发明实施例中，需要说明的是，微腔阵列可以采用氮化硅材料来制备。氮化硅波导的厚度在百纳米量级，宽度在微米量级。衬底采用热氧化硅片，热氧化层的二氧化硅厚度大于等于5微米。氮化硅波导的半径从10微米至5毫米不等，为了实现分布传感，传感用的微腔阵列的自由光谱范围应该大于数倍的光梳间距。

片上集成微腔-波导阵列可采用在二氧化硅(SiO₂)衬底上通过低压化学气相沉积(LPCVD)生长的800nm氮化硅薄膜，旋涂600nm厚电子束曝光胶ARP6200，并用电子束曝光仪(EBL)定义波导和微腔形状。显影后利用离子束刻蚀(ICP)完成波导和微腔的制备。

所述微腔阵列的自由光谱范围大于或大于等于所述探测光梳间距的N倍，N为大于1的正数。微腔阵列作为传感部分，在波导上的不同位置处，阵列中的所有微腔与同一波导耦合。光梳在波导中传播时，不同频率的梳齿分别进入对应共振频率的微腔，在微腔中形成回音壁光学模式，微腔中的光又能耦合到波导中，在通过所有微腔之后，不同的频率部分汇聚到一起传播。

在微腔阵列受到超声波作用时，声波压强使腔发生形变，改变微腔中的光场分布；同时由于腔材料的光弹效应，折射率随着压力作用发生变化，两者同时改变了光学模式的有效折射率，使微腔的腔模式发生移动。当输入光梳频率梳齿分别对应于阵列中各个微腔的谐振模式时，模式移动表现为输出光强度的变化。

引入另外一束与光梳光源不同重频的光梳，与经过微腔阵列的光发生拍频，得到一系列拍频信号。利用频谱分析仪采集得到的拍频信号，通过对比初始标定的数据，得到不同位置微腔探测到的超声信号，进而实现空间并行的超声传感。

图2是根据本发明实施例的基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法的流程图，参考图2，本发明实施例提供的基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法包括：

步骤210，开启所述相干光频梳一和所述相干光频梳二；

步骤220，使用所述耦合器件将所述信号光梳导入到所述微腔阵列，所述微腔阵列接收超声信号，并基于所述超声信号改变所述信号光梳的光强度；

步骤230，使用所述耦合器件将所述信号光梳从所述微腔阵列导入到所述合束器，并且将所述参考光梳从所述相干光频梳二导入到所述合束器，所述信号光梳与所述参考光梳汇合，实现拍频处理，生成拍频光信号；

步骤240，使用所述光电探测器接收所述拍频光信号，并将所述拍频光信号转换为电信号；

步骤250，使用所述频谱分析仪对所述电信号进行分析，通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频光信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度，从而实现超声并行传感。

在本发明实施例中，需要说明的是，探测超声时，同一声源发出的超声波由空间不同位置的微腔探测到，不同位置的微腔接收到不同强度的声信号，引起不同大小的响应，输出光中的各个频率梳齿受到不同大小的振幅调制。

对不同位置的传感微腔进行初始标定。对所有的传感微腔，施加完全相同的超声信号时，收集不同频率的拍频信号强度作为空间对应位置的初始探测数据。

具体地，本发明实施例提供的基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法包括以下步骤：

打开激光器出光，棱镜光纤将光导入集成波导，集成波导将光导入微腔，光学微环腔内发生非线性光学效应产生光学频率梳；

微腔光梳作为光源输入波导，与作为传感部分的微腔阵列耦合；

微腔阵列接收超声波信号，腔模式发生移动，表现为输出光强度的变化；

利用温度控制器调节温度，引入另外一束与光梳光源不同重频的光梳，与经过微腔阵列的光合束，由光电探测器收集，利用频谱分析仪采集得到的拍频信号；

通过对比有无超声作用时拍频信号不同频率的信号强度，得到不同位置微腔探测到的超声强度，进而实现空间并行的超声传感。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示或具体实施例的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“耦合”、“联接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，包括：相干光频梳一、相干光频梳二、耦合器件、微腔阵列、合束器、光电探测器以及频谱分析仪；

其中所述相干光频梳一利用微腔光梳提供信号光梳；

所述相干光频梳二利用微腔光梳提供参考光梳，所述参考光梳具有与所述信号光梳不同的重频；

所述耦合器件为集成波导，用于引导光传播，将所述信号光梳与微腔阵列的腔模式耦合，其中所述信号光梳的不同频率梳齿分别耦合到微腔阵列中的单个腔模式内，单个梳齿与单个腔模式一一对应；

所述微腔阵列用于接收超声信号，并基于所述超声信号，使微腔的腔模式发生移动，在所述信号光梳的不同频率梳齿分别耦合到对应微腔的腔模式的情况下，改变所述信号光梳不同频率梳齿经过微腔阵列的输出光强度；

所述相干光频梳一、相干光频梳二、所述耦合器件和所述微腔阵列在同一片上集成；

所述合束器用于将所述信号光梳与所述参考光梳汇合，实现拍频处理；

所述光电探测器用于接收光信号，并将所述光信号转换为电信号；

所述频谱分析仪用于对所述电信号进行分析，通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频光信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度，从而实现超声并行传感。

2.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述相干光频梳一和相干光频梳二为微腔光梳。

3.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述耦合器件为集成波导。

4.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述微腔阵列基于所述超声信号改变光梳的光强度包括：

所述超声信号的声波压强使微腔发生形变，并且利用腔体材料的光弹效应改变所述腔体材料的折射率，共同作用以改变腔体光学模式的有效折射率，使得腔模式发生移动，从而改变所述光梳的输出光强度。

5.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述微腔阵列采用氮化硅材料来制备。

6.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述微腔阵列的自由光谱范围大于或大于等于所述探测光梳间距的N倍，N为大于1的正数。

7.根据权利要求1所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置，其特征在于，所述耦合器件和微腔阵列的制备包括：

采用在二氧化硅衬底上通过低压化学气相沉积生长氮化硅薄膜，旋涂电子束曝光胶，并用电子束曝光仪定义所述耦合器件和所述微腔阵列中所有微腔的形状，显影后通过离子束刻蚀处理。

8.一种基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法，其特征在于，使用根据权利要求1至7任一项所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感装置实现，所述基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法包括：

开启所述相干光频梳一和所述相干光频梳二；

使用所述耦合器件将所述信号光梳导入到所述微腔阵列，使所述信号光梳的不同频率的梳齿分别耦合到对应微腔的腔模式；

所述微腔阵列接收超声信号，并基于所述超声信号改变所述信号光梳不同频率梳齿经过微腔阵列的输出光强度；

使用所述耦合器件将所述信号光梳从所述微腔阵列导入到所述合束器，并且将所述参考光梳从所述相干光频梳二导入到所述合束器，所述信号光梳与所述参考光梳汇合，实现拍频处理，生成拍频光信号；

使用所述光电探测器接收所述拍频光信号，并将所述拍频光信号转换为电信号；

使用所述频谱分析仪对所述电信号进行分析，通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频光信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度，从而实现超声并行传感。

9.根据权利要求8所述的基于光频梳的片上微腔超声并行传感方法，其特征在于，所述通过对比有超声信号作用和无超声信号作用时所述拍频光信号不同频率的信号强度，得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度包括：

对所述微腔阵列中不同位置的微腔施加完全相同的超声信号，收集不同频率的拍频光信号强度作为空间对应位置的初始探测数据；

将所述电信号与所述初始探测数据进行对比，从而得到所述微腔阵列中不同位置的微腔探测到的超声强度。

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