CN116952359A - 一种光纤端波导微环超声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提出了一种光纤端波导微环超声传感器，属于光学微纳传感器制备技术领域。包括波导微环、传输波导、支撑平台和单模光纤，波导微环和传输波导构成谐振微环；支撑平台固定在单模光纤的一端，用于支撑波导微环和传输波导；传输波导为分束结构，由主光路和连接主光路的一对对称布置的分光路构成，主光路的一端连接单模光纤，主光路的另一端连接两个分光路的一端，一对分光路与固定在支撑平台上的波导微环耦合。当耦合进波导微环的光满足谐振条件时发生谐振，不满足谐振条件的光则从原波导输出。谐振环中的光学回音壁模式对环的折射率或半径的变化非常敏感，该传感器件可以实现对高达兆赫兹量级的超声波进行检测。
Description
技术领域
本发明属于光学微纳传感器制备技术领域，尤其涉及一种光纤端波导微环超声传感器。
背景技术
随着现代工业技术的发展，高频超声传感器在生物医学成像和结构健康监测等领域中得到了广泛应用。超声信号通常使用压电换能器或光纤传感器进行检测。通常，高分辨率成像需要高频超声，对于几十兆赫兹范围内的超声频率，传统的压电换能器面临着巨大的制造挑战。基于波长调制的光纤传感器如光纤布拉格光栅，由于其具有容易多路复用、不受电磁干扰等优点而得到广泛应用。但光纤布拉格光栅传感器在光学灵敏度和声学灵敏度之间存在折衷。具有高质量Q因子的传感器栅区长度需要更长，这显著限制了在较高频率下的声学灵敏度。相比之下，光学谐振超声传感器可以实现高Q因子，且尺寸可以实现微米级别。基于光学谐振的超声传感器可以实现对几十兆赫兹的高频声波的检测。
波长调制型光纤超声传感器主要原理是声振动导致器件的特征波长或共振波长发生变化。利用这一特性传感超声，Wei等采用非平衡MI作为FBG的解调方案，在实验中传感器与环形激光器相结合，进一步提升传感器的性能，能自适应环境的低频扰动，可探测频率为MHz量级的超声信号。尽管FBG作为一种典型的波长调制型光纤超声传感器件，但由于Q值较低，限制了其灵敏度。为此，研究人员提出了波导微环超声传感器。Wei等人采用双光子3D打印技术制备了一种反射式波导微环谐振器，其灵敏度为289.16mV/MPa，尽管其灵敏度相对较低，但是采用3D激光直写技术降低了器件制备工艺要求，这也对器件设计提供了新的研究思路。Li等制备了一种基于聚合物MRR的小型化、光学超声波传感器，证明了该器件具有高灵敏度、低噪声等效压力、更大的灵敏度和超宽线性频率带宽。Xavier Rottenberg等人提出利用CMOS技术制备光机械式微环波导，具有15nm微小空气狭缝，具有薄膜式的超声传感器，能够在20μm微小传感区域内，实现在3-30MHz测量范围内的噪声等效压力(NEP)低于1.3mPa/Hz1/2。由于微环器件具有微米级尺寸，可以灵敏地感知超高频段的超声幅频特性，在结构安全检测、水下超声定位以及生物医学光声成像等方面具有重要的应用价值。
基于现有的超声传感器技术，如何在降低传感器尺寸的同时提升传感器的灵敏度和频率响应带宽，是本领域不断探索的方向。
发明内容
为了解决现有技术制备光学式超声传感器结构频带响应限制、精度低等问题，本发明提出了一种光纤端波导微环超声传感器，其采用双光子3D打印技术，在单模光纤的平端面上制备光学式超声传感器，该超声传感器具有由波导微环和传输波导构成的谐振微环，声波引起微环波导有效折射率和半径发生改变，从而导致谐振波长发生漂移，利用谐振微环中的光学回音壁模式对超声造成的应变敏感的特性，可实现对高达几十兆赫兹的高频声波进行探测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤端波导微环超声传感器，包括波导微环、传输波导、支撑平台和单模光纤，所述的波导微环和传输波导构成谐振微环；
所述的支撑平台固定在单模光纤的一端，用于支撑波导微环和传输波导；所述的传输波导为分束结构，由主光路和连接主光路的一对对称布置的分光路构成，所述的主光路的一端连接单模光纤，主光路的另一端连接两个分光路的一端，一对分光路与固定在支撑平台上的波导微环耦合。
优选的，所述的波导微环、传输波导、支撑平台均为光固化材料材质，由基于双光子聚合的3D打印技术制备得到。
优选的，所述的支撑平台中心开设有倒置的棱台槽，传输波导中的主光路一端穿过棱台槽后连接单模光纤的纤芯一端。
优选的，所述的传输波导分光路上设有水平的耦合段，所述的耦合段与波导微环的间隙为(-100)～100纳米。
优选的，所述的波导微环和传输波导的耦合段的横截面相同。
优选的，所述的波导微环和传输波导的横截面宽度为1～5微米，高度为2～4微米。
优选的，所述的波导微环的直径为30～40微米。
优选的，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环、传输波导和支撑平台均位于光纤端面。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)相比较于基于膜片集成式波导微环的超声传感器，该传感器利用微环中的光学回音壁模式，在尺寸实现微米级别的同时可实现对高频段信号的测量，检测带宽可高达兆赫兹级别。
(2)本发明采用聚合物制备传感器，相比较于传统的硅波导，在超声作用下具有更高的灵敏度。
(3)本发明使用双光子3D打印技术直接在光纤端面制备一体化微纳超声传感器，集成度高、结构体积小，稳定性好。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种光纤端波导微环超声传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中示出的传感器结构的三维示意图；
图3为本发明实施例中示出的传感器结构的电子显微镜图像；
图4为本发明实施例中制备传感器测试实验装置示意图；
图5为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像；
图6为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像对应快速傅里叶变换解调出超声波频率信号与商用探头的对比；
图7为本发明实施例中对传感器测试后得到的频率为100kHz连续正弦波信号时域图像；
图中：1-波导微环，2-传输波导，3-支撑平台，4-单模光纤，5-棱台槽，6-耦合段。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步说明。
本发明提供了一种光纤端波导微环超声传感器，由双光子聚合3D打印技术制备得到，其结构紧凑，整体体积尺寸小于30微米，并且利用谐振环中的光学回音壁模式对超声造成的应变敏感的特性，可实现对高达几十兆赫兹的高频声波进行探测。
如图1所示，本发明提出的光纤端波导微环超声传感器的结构，包括波导微环1、传输波导2、支撑平台3、单模光纤4，所述的波导微环1和传输波导2构成谐振微环。本实施例中，所述的波导微环1、传输波导2、支撑平台3均为光固化材料材质，由基于双光子聚合的3D打印技术制备得到。
如图2所示，支撑平台3固定在单模光纤4的一端，用于支撑波导微环1和传输波导2，保持结构稳定。所述的支撑平台3中心开设有倒置的棱台槽5；传输波导2为分束结构，由主光路和连接主光路的一对对称布置的分光路构成，主光路的一端穿过棱台槽5后连接单模光纤4的纤芯一端，单模光纤4的纤芯另一端用于连接外部的可调谐激光器，主光路的另一端连接两个分光路的一端，所述的分光路上设有水平的耦合段6；所述的波导微环1位于一对分光路的耦合段之间，波导微环与传输波导耦合段的间隙为(-100)～100纳米，当间隙为负值时，其为嵌入结构。
本实施例中，单模光纤4的直径为125微米，使用的商用双光子3D打印机为Nanoscribe公司Professional GTII型号，材料为光敏材料IP-DIP材料，该材料具有较低的杨氏模量，具有较高的声压灵敏度，打印超声传感器的波导微环和传输波导的横截面宽度为1～5微米，高度为2～4微米，其中波导微环和传输波导耦合段的横截面相同，优选宽:高＝1:3；波导微环的直径为30～40微米；波导微环与传输波导耦合段的间隙为(-100)～100纳米。图3为本发明实施例中示出的传感器结构的电子显微镜图像。
本发明的超声传感器工作原理是基于微环谐振原理，其中波导微环1和传输波导2构成谐振微环。当从传输波导传输的光耦合进波导微环满足谐振条件时发生谐振，不满足谐振条件的光则从原波导输出
对于一个微环谐振器来说，波导微环形成光学谐振腔，输入(E1)、输出(E3)和环内的循环长(E2和E4)可以通过以下耦合模式方程来描述：
其中，τ和κ分别是振幅传输系数和耦合系数，j是虚数单位，αi是由于耦合区域中的波导模式失配引起的损耗，通过引入单程振幅衰减因子a，可以将E2和E4之间的关系表示为：
E2＝aejφE4 (2)
其中，φ是在波导微环内传播的光所经历的单程相移，等于2πneffL/λ。这里，neff是波导微环内部的有效折射率，L是波导微环的周长，λ是光波长，透射系数定义为透射强度与入射强度的比率，根据公式(1)和(2)可得：
由式(3)可知，当光程等于波长的整数倍的光才能发生谐振，谐振波长满足以下表达式：
mλc＝neffL (4)
其中，m为正整数，代表光学回音壁模式的波数；λc代表波数为m的光学回音壁模式的谐振波长。
在微环超声传感器中，入射的声波作用于波导微环1会导致波导微环1的横截面尺寸发生变形，而波导横截面的变化直接改变了波导基模的有效折射率neff。此外，应变通过弹性光学效应同时改变波导材料和周围环境介质的折射率和波导微环的半径。这两种现象都会影响波导基模的有效折射率neff，进而导致谐振波长的漂移。
在固定入射激光波长的情况下，通过光学谐振调制的输出强度由光电探测器采集，超声信号被转换为可检测的光强度信号，通过解调出相应光强，能够有效地解调出超声波信号强度和频率信息。
本发明的光纤端波导微环超声传感器通过调节传感器结构的几何尺寸，可以有效提高传感器的灵敏度，具体的，通过调节波导微环和传输波导间的间隙，能够调整该波导微环超声传感器的耦合效率，进而能够调整传感器的灵敏度。
为了对本实施例中制备得到的超声传感器频率响应特性进行测试分析，搭建了图4所示实验装置，由超声声源部分、光学超声传感器部分和数据处理部分三部分构成。所述的超声声源部分由信号发生器和压电换能器构成，其中信号发生器连接压电换能器，用于将信号发生器的信号转化为水中的超声波信号；所述的光学超声传感器部分由可调谐激光器、光纤环形器、超声传感器、光电探测器和示波器构成；所述的数据处理部分包括数据采集器和电脑组成。
在一种测试中，将光纤端波导微环超声传感器、信号发生器和压电换能器置于水箱中，用于测试水中的超声波信号。将信号发生器连接至水箱内的压电换能器，压电换能器产生超声波信号，超声波信号类型由信号发生器的输入决定。连接光纤环形器的可调谐激光器输出单一波长的激光，通过光纤环形器到达光纤端超声传感器，超声传感器中的单模光纤的一端接收到光信号后，光信号从单模光纤的另一端传入传输波导，分为两束沿传输波导进行传输，当传输波导中的光满足谐振波长条件时，传输波导中的光与波导微环耦合，光锁定在波导微环中，当锁定在波导微环中的光不满足谐振波长条件时，其从另一侧传输波导返回；从传感器返回的光信号通过光纤环形器后由光电探测器接收；通过光电探测器将返回的光信号转换为电信号并在示波器上显示，同时通过数据采集器获取示波器上显示的数据进行处理。
在上述的光信号传输过程中，传感器中的波导微环在压电换能器产生的超声波信号压力作用下发生变形，改变波导微环的有效折射率和半径，对应谐振波长会发生漂移，因此当传输波导中的光满足谐振波长条件时，会与波导微环耦合从而进入波导微环内；当传输波导中的光不满足谐振波长条件时，直接从传输波导未连接主光路的一端输出；同样的，当波导微环内的光满足谐振波长条件时，光锁定在波导微环中做逆时针/顺时针转动；当波导微环内的光不满足谐振波长条件时，会与传输波导耦合从而进入传输波导中，从传输波导的一个分光路进入波导微环中的光，会从传输波导的另一个分光路返回。通过解调出光电探测器接收到的返回光信号，能够有效地解调出超声波信号强度和频率信息。
本实施例中，利用图4所示的实验装置测试传感器频率响应带宽，信号发生器输入脉冲信号，将传感器与压电换能器正对放置，间隔可设置为1-10厘米之间，由压电换能器发出的超声波激发的超声波经过水域传输到达超声传感器，引起波导微环1变形，导致波导微环的有效折射率和半径发生变化，对应谐振波长会发生漂移，从波导微环返回的信号光强发生对应变化，经过光纤环形器后传输到光电探测器上，通过示波器得到如图5所示为接收到冲击信号后时域图像，对接收到冲击信号频率分量进行分析，将采集到的冲击信号进行快速傅里叶变换后，得到各频率分量如图6所示，结果表明该传感器具有高达兆赫兹的频率响应带宽，且具备与商用探头相当的带宽。
同样利用图4所示实验装置，测试传感器在单频超声波频率下的响应，实验中信号发生器输入固定频率连续正弦波信号，将传感器与压电换能器正对放置，间隔可设置为1-10厘米之间，信号发生器产生连续的正弦波信号输入到压电换能器上，由压电换能器发出的超声波经过水域传输到达传感器，引起波导微环1变形，导致波导微环的有效折射率或半径发生变化，对应谐振波长会发生漂移，从波导微环返回的信号光强发生对应变化，经过光纤环形器后传输到光电探测器上，利用示波器记录采集到超声波信号，如图7是超声波对应100kHz正弦波信号时域波形，该结果表明该传感器具有准确的探测单一频率超声波对应的频率信息。
为了达到说明和描述的目的，本发明提供了前述的关于本发明的说明性示例。这并非旨在详尽地叙述本发明或将本发明限制为所叙述的精确形式，可根据上述说明可以进行修改和变更。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且进行特定用途的各种修改。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，包括波导微环(1)、传输波导(2)、支撑平台(3)和单模光纤(4)，所述的波导微环(1)和传输波导(2)构成谐振微环；
所述的支撑平台(3)固定在单模光纤(4)的一端，用于支撑波导微环(1)和传输波导(2)；所述的传输波导(2)为分束结构，由主光路和连接主光路的一对对称布置的分光路构成，所述的主光路的一端连接单模光纤(4)，主光路的另一端连接两个分光路的一端，一对分光路与固定在支撑平台(3)上的波导微环(1)耦合。
2.根据权利要求1所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(1)、传输波导(2)、支撑平台(3)均为光固化材料材质，由基于双光子聚合的3D打印技术制备得到。
3.根据权利要求1所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的支撑平台(3)中心开设有倒置的棱台槽(5)，传输波导(2)中的主光路一端穿过棱台槽(5)后连接单模光纤(4)的纤芯一端。
4.根据权利要求1所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的传输波导分光路上设有水平的耦合段(6)，所述的耦合段(6)与波导微环(1)的间隙为(-100)～100纳米。
5.根据权利要求4所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(1)和传输波导的耦合段(6)的横截面相同。
6.根据权利要求1所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(1)和传输波导(2)的横截面宽度为1～5微米，高度为2～4微米。
7.根据权利要求1或6所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(1)的直径为30～40微米。
8.根据权利要求1所述的一种光纤端波导微环超声传感器，其特征在于，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环(1)、传输波导(2)和支撑平台(3)均位于光纤端面。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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