CN115792750B - 基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及谐振式磁传感器，具体是一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。本发明解决了现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题。基于片上集成谐振腔的磁传感装置，包括信号发生器、1550nm激光器、偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、磁传感单元、单模光纤B、光电探测器、频谱仪、微波发生器；所述磁传感单元包括玻璃基片、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、钇铁石榴石盘形微腔、集成微波天线、紫外胶水层A、紫外胶水层B、紫外胶水层C；信号发生器的信号输出端与1550nm激光器的电压调谐端连接；1550nm激光器的出射端通过偏振控制器与光纤偏振分束器的入射端连接。本发明适用于磁场的测量。

Description

基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法

技术领域

本发明涉及谐振式磁传感器，具体是一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。

背景技术

谐振式磁传感器因其具有抗干扰能力强的优点，而被广泛应用于磁场的测量。在现有技术条件下，谐振式磁传感器普遍基于F-P谐振腔进行工作。但在实际应用中，由于F-P谐振腔的品质因数较低，导致现有谐振式磁传感器存在灵敏度较低的问题。基于此，有必要发明一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法，以解决现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题，提供了一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于片上集成谐振腔的磁传感装置，包括信号发生器、1550nm激光器、偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、磁传感单元、单模光纤B、光电探测器、频谱仪、微波发生器；

所述磁传感单元包括玻璃基片、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、钇铁石榴石盘形微腔、集成微波天线、紫外胶水层A、紫外胶水层B、紫外胶水层C；氮化硅波导耦合芯片通过紫外胶水层A固定于玻璃基片的上表面；集成耦合波导铺设于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且集成耦合波导的首端和尾端分别与氮化硅波导耦合芯片的左边缘和右边缘齐平；钇铁石榴石盘形微腔固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且钇铁石榴石盘形微腔与氮化硅波导耦合芯片耦合；集成微波天线固定于钇铁石榴石盘形微腔的上表面；

信号发生器的信号输出端与1550nm激光器的电压调谐端连接；1550nm激光器的出射端通过偏振控制器与光纤偏振分束器的入射端连接；光纤偏振分束器的出射端通过单模光纤A与集成耦合波导的首端连接，且单模光纤A的尾部通过紫外胶水层B固定于玻璃基片的上表面；集成耦合波导的尾端通过单模光纤B与光电探测器的入射端连接，且单模光纤B的首部通过紫外胶水层C固定于玻璃基片的上表面；光电探测器的信号输出端与频谱仪的信号输入端连接；微波发生器的信号输出端与集成微波天线的信号输入端连接。

所述磁传感单元还包括线圈；线圈固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且线圈位于钇铁石榴石盘形微腔的旁侧。

所述1550nm激光器采用连续可调谐窄带激光器。

所述氮化硅波导耦合芯片是在3.3μm厚的二氧化硅缓冲层上制造的330nm厚的氮化硅膜；所述集成耦合波导的宽度为3.8µm，与单模光纤的平均场大小相匹配。

所述钇铁石榴石盘形微腔采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对钇铁石榴石晶体进行切削，得到直径为5mm、厚度为0.35mm的钇铁石榴石晶体圆片；然后，利用抛光纸和抛光液对钇铁石榴石晶体圆片进行抛光，由此制得钇铁石榴石盘形微腔。

钇铁石榴石盘形微腔通过刻蚀工艺固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面；钇铁石榴石盘形微腔与氮化硅波导耦合芯片通过倏逝波耦合，且耦合状态为过耦合。

集成微波天线通过金属镶嵌工艺固定于钇铁石榴石盘形微腔的上表面。

基于片上集成谐振腔的磁测量方法（该方法是基于本发明所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感装置进入工作模式；工作模式具体为：信号发生器输出信号，信号传输至1550nm激光器，使得1550nm激光器发出1550nm波段的泵浦光，泵浦光依次经偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、集成耦合波导、氮化硅波导耦合芯片、钇铁石榴石盘形微腔、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、单模光纤B入射到光电探测器，然后经光电探测器转换为电信号；电信号传输至频谱仪，并经频谱仪转换为谐振谱；同时，微波发生器通过集成微波天线发射微波场，微波场激发出钇铁石榴石盘形微腔中的磁子模式；

在工作模式下，当磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔时，钇铁石榴石盘形微腔内发生磁光耦合，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差，并将边带与主带的频率差代入传感装置的磁场测量方程，由此计算出磁场强度；所述传感装置的磁场测量方程表示如下：

ω_m=γH；

式中：ω_m表示边带与主带的频率差；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；H表示磁场强度。

该方法还包括利用线圈来判断传感装置的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感装置进入工作模式；

在工作模式下，外接电压源或外接电流源通过线圈输出强度已知的磁场；磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差；

然后，一方面根据边带与主带的频率差和磁场强度计算出传感装置的灵敏度测试值，另一方面计算出传感装置的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

S₀=ω_m/H；

S=γ；

式中：S₀表示传感装置的灵敏度测试值；ω_m表示边带与主带的频率差；H表示磁场强度；S表示传感装置的灵敏度标准值；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；

然后，将传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感装置的性能指标是否符合要求：若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值吻合，则表明传感装置的性能指标符合要求；若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值不吻合，则表明传感装置的性能指标不符合要求。

与现有谐振式磁传感器相比，本发明不再基于F-P谐振腔进行工作，而是基于钇铁石榴石盘形微腔进行工作，由此具备了灵敏度高的优点。具体而言，由于钇铁石榴石盘形微腔具有超高的品质因数和极小的模式体积，使得本发明具备了超高的灵敏度和良好的稳定性。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题，适用于磁场的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的部分结构示意图。

图中：1-信号发生器，2-1550nm激光器，3-偏振控制器，4-光纤偏振分束器，5-单模光纤A，6-磁传感单元，601-玻璃基片，602-氮化硅波导耦合芯片，603-集成耦合波导，604-钇铁石榴石盘形微腔，605-集成微波天线，606-紫外胶水层A，607-紫外胶水层B，608-紫外胶水层C，609-线圈，7-单模光纤B，8-光电探测器，9-频谱仪，10-微波发生器。

实施方式

基于片上集成谐振腔的磁传感装置，包括信号发生器1、1550nm激光器2、偏振控制器3、光纤偏振分束器4、单模光纤A5、磁传感单元6、单模光纤B7、光电探测器8、频谱仪9、微波发生器10；

所述磁传感单元6包括玻璃基片601、氮化硅波导耦合芯片602、集成耦合波导603、钇铁石榴石盘形微腔604、集成微波天线605、紫外胶水层A606、紫外胶水层B607、紫外胶水层C608；氮化硅波导耦合芯片602通过紫外胶水层A606固定于玻璃基片601的上表面；集成耦合波导603铺设于氮化硅波导耦合芯片602的上表面，且集成耦合波导603的首端和尾端分别与氮化硅波导耦合芯片602的左边缘和右边缘齐平；钇铁石榴石盘形微腔604固定于氮化硅波导耦合芯片602的上表面，且钇铁石榴石盘形微腔604与氮化硅波导耦合芯片602耦合；集成微波天线605固定于钇铁石榴石盘形微腔604的上表面；

信号发生器1的信号输出端与1550nm激光器2的电压调谐端连接；1550nm激光器2的出射端通过偏振控制器3与光纤偏振分束器4的入射端连接；光纤偏振分束器4的出射端通过单模光纤A5与集成耦合波导603的首端连接，且单模光纤A5的尾部通过紫外胶水层B607固定于玻璃基片601的上表面；集成耦合波导603的尾端通过单模光纤B7与光电探测器8的入射端连接，且单模光纤B7的首部通过紫外胶水层C608固定于玻璃基片601的上表面；光电探测器8的信号输出端与频谱仪9的信号输入端连接；微波发生器10的信号输出端与集成微波天线605的信号输入端连接。

所述磁传感单元6还包括线圈609；线圈609固定于氮化硅波导耦合芯片602的上表面，且线圈609位于钇铁石榴石盘形微腔604的旁侧。

所述1550nm激光器2采用连续可调谐窄带激光器。

所述氮化硅波导耦合芯片602是在3.3μm厚的二氧化硅缓冲层上制造的330nm厚的氮化硅膜；所述集成耦合波导603的宽度为3.8µm，与单模光纤的平均场大小相匹配。

所述钇铁石榴石盘形微腔604采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对钇铁石榴石晶体进行切削，得到直径为5mm、厚度为0.35mm的钇铁石榴石晶体圆片；然后，利用抛光纸和抛光液对钇铁石榴石晶体圆片进行抛光，由此制得钇铁石榴石盘形微腔604。

钇铁石榴石盘形微腔604通过刻蚀工艺固定于氮化硅波导耦合芯片602的上表面；钇铁石榴石盘形微腔604与氮化硅波导耦合芯片602通过倏逝波耦合，且耦合状态为过耦合。

集成微波天线605通过金属镶嵌工艺固定于钇铁石榴石盘形微腔604的上表面。

基于片上集成谐振腔的磁测量方法（该方法是基于本发明所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感装置进入工作模式；工作模式具体为：信号发生器1输出信号，信号传输至1550nm激光器2，使得1550nm激光器2发出1550nm波段的泵浦光，泵浦光依次经偏振控制器3、光纤偏振分束器4、单模光纤A5、集成耦合波导603、氮化硅波导耦合芯片602、钇铁石榴石盘形微腔604、氮化硅波导耦合芯片602、集成耦合波导603、单模光纤B7入射到光电探测器8，然后经光电探测器8转换为电信号；电信号传输至频谱仪9，并经频谱仪9转换为谐振谱；同时，微波发生器10通过集成微波天线605发射微波场，微波场激发出钇铁石榴石盘形微腔604中的磁子模式；

在工作模式下，当磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔604时，钇铁石榴石盘形微腔604内发生磁光耦合，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差，并将边带与主带的频率差代入传感装置的磁场测量方程，由此计算出磁场强度；所述传感装置的磁场测量方程表示如下：

ω_m=γH；

式中：ω_m表示边带与主带的频率差；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；H表示磁场强度。

该方法还包括利用线圈609来判断传感装置的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感装置进入工作模式；

在工作模式下，外接电压源或外接电流源通过线圈609输出强度已知的磁场；磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔604，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差；

然后，一方面根据边带与主带的频率差和磁场强度计算出传感装置的灵敏度测试值，另一方面计算出传感装置的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

S₀=ω_m/H；

S=γ；

式中：S₀表示传感装置的灵敏度测试值；ω_m表示边带与主带的频率差；H表示磁场强度；S表示传感装置的灵敏度标准值；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；

然后，将传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感装置的性能指标是否符合要求：若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值吻合，则表明传感装置的性能指标符合要求；若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值不吻合，则表明传感装置的性能指标不符合要求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：包括信号发生器（1）、1550nm激光器（2）、偏振控制器（3）、光纤偏振分束器（4）、单模光纤A（5）、磁传感单元（6）、单模光纤B（7）、光电探测器（8）、频谱仪（9）、微波发生器（10）；

所述磁传感单元（6）包括玻璃基片（601）、氮化硅波导耦合芯片（602）、集成耦合波导（603）、钇铁石榴石盘形微腔（604）、集成微波天线（605）、紫外胶水层A（606）、紫外胶水层B（607）、紫外胶水层C（608）；氮化硅波导耦合芯片（602）通过紫外胶水层A（606）固定于玻璃基片（601）的上表面；集成耦合波导（603）铺设于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且集成耦合波导（603）的首端和尾端分别与氮化硅波导耦合芯片（602）的左边缘和右边缘齐平；钇铁石榴石盘形微腔（604）固定于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且钇铁石榴石盘形微腔（604）与氮化硅波导耦合芯片（602）耦合；集成微波天线（605）固定于钇铁石榴石盘形微腔（604）的上表面；

信号发生器（1）的信号输出端与1550nm激光器（2）的电压调谐端连接；1550nm激光器（2）的出射端通过偏振控制器（3）与光纤偏振分束器（4）的入射端连接；光纤偏振分束器（4）的出射端通过单模光纤A（5）与集成耦合波导（603）的首端连接，且单模光纤A（5）的尾部通过紫外胶水层B（607）固定于玻璃基片（601）的上表面；集成耦合波导（603）的尾端通过单模光纤B（7）与光电探测器（8）的入射端连接，且单模光纤B（7）的首部通过紫外胶水层C（608）固定于玻璃基片（601）的上表面；光电探测器（8）的信号输出端与频谱仪（9）的信号输入端连接；微波发生器（10）的信号输出端与集成微波天线（605）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述磁传感单元（6）还包括线圈（609）；线圈（609）固定于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且线圈（609）位于钇铁石榴石盘形微腔（604）的旁侧。

3.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述1550nm激光器（2）采用连续可调谐窄带激光器。

4.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述氮化硅波导耦合芯片（602）是在3.3μm厚的二氧化硅缓冲层上制造的330nm厚的氮化硅膜；所述集成耦合波导（603）的宽度为3.8µm，与单模光纤的平均场大小相匹配。

5.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述钇铁石榴石盘形微腔（604）采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对钇铁石榴石晶体进行切削，得到直径为5mm、厚度为0.35mm的钇铁石榴石晶体圆片；然后，利用抛光纸和抛光液对钇铁石榴石晶体圆片进行抛光，由此制得钇铁石榴石盘形微腔（604）。

6.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：钇铁石榴石盘形微腔（604）通过刻蚀工艺固定于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面；钇铁石榴石盘形微腔（604）与氮化硅波导耦合芯片（602）通过倏逝波耦合，且耦合状态为过耦合。

7.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：集成微波天线（605）通过金属镶嵌工艺固定于钇铁石榴石盘形微腔（604）的上表面。

8.一种基于片上集成谐振腔的磁测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感装置进入工作模式；工作模式具体为：信号发生器（1）输出信号，信号传输至1550nm激光器（2），使得1550nm激光器（2）发出1550nm波段的泵浦光，泵浦光依次经偏振控制器（3）、光纤偏振分束器（4）、单模光纤A（5）、集成耦合波导（603）、氮化硅波导耦合芯片（602）、钇铁石榴石盘形微腔（604）、氮化硅波导耦合芯片（602）、集成耦合波导（603）、单模光纤B（7）入射到光电探测器（8），然后经光电探测器（8）转换为电信号；电信号传输至频谱仪（9），并经频谱仪（9）转换为谐振谱；同时，微波发生器（10）通过集成微波天线（605）发射微波场，微波场激发出钇铁石榴石盘形微腔（604）中的磁子模式；

在工作模式下，当磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔（604）时，钇铁石榴石盘形微腔（604）内发生磁光耦合，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差，并将边带与主带的频率差代入传感装置的磁场测量方程，由此计算出磁场强度；所述传感装置的磁场测量方程表示如下：

ω_m=γH；

式中：ω_m表示边带与主带的频率差；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；H表示磁场强度。

9.根据权利要求8所述的基于片上集成谐振腔的磁测量方法，其特征在于：该方法还包括利用线圈（609）来判断传感装置的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感装置进入工作模式；

在工作模式下，外接电压源或外接电流源通过线圈（609）输出强度已知的磁场；磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔（604），使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差；

然后，一方面根据边带与主带的频率差和磁场强度计算出传感装置的灵敏度测试值，另一方面计算出传感装置的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

S₀=ω_m/H；

S=γ；

式中：S₀表示传感装置的灵敏度测试值；ω_m表示边带与主带的频率差；H表示磁场强度；S表示传感装置的灵敏度标准值；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π×2.8MHz/Oe；

然后，将传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感装置的性能指标是否符合要求：若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值吻合，则表明传感装置的性能指标符合要求；若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值不吻合，则表明传感装置的性能指标不符合要求。

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