CN117760961A - 一种片上微腔双光梳传感器及其应用和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上微腔双光梳传感器及其应用和应用方法，属于光波导传感器技术领域。所述片上微腔双光梳传感器包括硅波导衬底、光纤耦合输入倒锥形模斑转换器、微腔耦合总线直波导、克尔波导微腔、金属接触、光纤耦合输出倒锥形模斑转换器、传感波导和热电半导体制冷片；该片上微腔双光梳传感器与混合偏振泵浦激光模块、电学控制系统、光谱分析与数据处理系统可组装形成一种基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置，该片上气体检测装置利用混合偏振泵浦激发的正交偏振克尔双梳作为光源，集成高灵敏度、高紧凑性的传感波导，具有可同时多痕量气体探测能力，对采集的多外差干涉射频谱进行处理与分析，可以完成多种气体的种类与浓度的反演。

Description

一种片上微腔双光梳传感器及其应用和应用方法

技术领域

本发明涉及光波导传感器技术领域，尤其涉及一种片上微腔双光梳传感器及其应用和应用方法。

背景技术

双梳光谱是一种高精度的非接触式传感光谱，通常需要两套相位紧锁定的光学频率梳源，价格昂贵。单腔双梳指的是通过循环方向复用、空间复用、偏振复用或双波长激光等方式，在一个光学腔里同时形成两个具有低重复频率差和高度的相干性的光梳。而利用波导材料的克尔非线性效应与四波混频过程形成微腔频率梳的芯片结构紧凑，可以批量生产，十分适合作为多气体探测的宽带相干光源。

目前已报道的传感装置不可避免地含有一个体积庞大的气体吸收池，便携性不足。而光波导传感依赖于光场在波导表层传播的倏逝场分布，传播光场与气体相互作用后携带上浓度信息。将微腔克尔双梳与光波导传感单元进行片上集成，通过采集器件输出的多外差干涉光谱，可以实现能够实时多组分检测的传感芯片。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种片上微腔双光梳传感器及其在基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置中的应用和应用方法，利用混合偏振泵浦激发的正交偏振克尔双梳作为光源，集成高灵敏度、高紧凑性的传感波导，对采集的多外差干涉射频谱进行处理与分析，可以完成多种气体的种类与浓度的反演。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种片上微腔双光梳传感器，所述片上微腔双光梳传感器包括硅波导衬底，特征在于：还包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器、微腔耦合总线直波导、克尔波导微腔、金属接触、光纤耦合输出倒锥形模斑转换器、传感波导和热电半导体制冷片；

微腔耦合总线直波导中的泵浦光场通过间隙与所述克尔波导微腔耦合，所述热电半导体制冷片位于所述硅波导衬底的底部；所述金属接触位于所述克尔波导微腔脊形截面两侧顶部。

进一步的，所述克尔波导微腔的腔体结构包括环形腔或者多边形腔，微腔波导截面类型包括矩形或者脊形。

进一步的，一种片上气体检测装置，包括如前所述的片上微腔双光梳传感器。

进一步的，所述片上气体检测装置为基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置。

进一步的，所述基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置还包括混合偏振泵浦激光模块、电学控制系统和光谱分析与数据处理系统；所述片上微腔双光梳传感器的输入端和输出端分别与所述混合偏振泵浦激光模块和光谱分析与数据处理系统连接，所述电学控制系统与所述混合偏振泵浦激光模块和片上微腔双光梳传感器连接。

进一步的，所述混合偏振泵浦激光模块包括泵浦激光器、光放大器与可调谐光学带通滤波器、光偏振控制器、聚焦透镜和锥形透镜光纤，所述泵浦激光器与所述电学控制系统连接，所述锥形透镜光纤与所述片上微腔双光梳传感器的输入端耦合。

进一步的，所述电学控制系统包括用于与所述泵浦激光器连接的泵浦激光器调控组件，用于对所述金属接触施加反向偏置电压的反向偏置电压调控组件，以及用于控制所述电半导体制冷片温度的温度控制组件。

进一步的，所述光谱分析与数据处理系统包括锥形透镜光纤与光分束器和用于对光谱特征进行分析的多个分析模块，所述锥形透镜光纤与光分束器的输入端与所述光纤耦合输出倒锥形模斑转换器连接。

进一步的，一种片上气体检测装置的应用方法，包括以下步骤，

S1：组装基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置；

S2：使用显微观测设备对步骤S1中组装的片上气体检测装置进行精细调节；

S3：根据所需的偏振复用双梳类型和探测目标，选择相应的偏振泵浦激光模块泵浦方案；

S4：通过电学控制系统控制偏振泵浦激光模块，使偏振泵浦激光模块的输出波长能够激发克尔波导微腔腔内四波混频效应；

S5：将片上微腔双光梳传感器输出的光谱分束到光谱分析与数据处理系统进行实时光谱的观测与孤子状态检测；

S6：分别采集在氮气背景氛围以及待测气体氛围中测量得到的多外差干涉谱，进行吸光度谱的计算，以获得待测样品的浓度与种类。

进一步的，步骤S3中所述的泵浦方案包括单泵浦激发正交偏振谐振模和双泵浦激发正交偏振谐振模。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的片上微腔双光梳传感器采用了近方形或深刻蚀脊形波导制作微腔，两个偏振方向上的基模具有十分接近的群折射率，因此光场传播速度差异小，可以很好地降低偏振模色散，抑制正交偏振模脉冲走离，当光学腔内实现偏振复用克尔双梳生成。正交偏振双梳具有超低的重复频率差，因此在传感器的输出端仅需要低成本、低性能的射频谱分析装置即可进行多外差射频谱的探测；双梳还具有高度的内禀相干性，保证了射频谱的频率稳定性，提供了吸收传感的精度；双梳均具有GHz量级的梳齿(模式)间距，允许以超高的分辨率对吸收光谱进行采样。

2、本发明中基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置包括混合偏振泵浦激光模块、电学控制系统、片上微腔双光梳传感器和光谱分析与数据处理系统；利用波形信号发生器的输出信号控制激光器的电流控制器或驱动光纤激光器的内置压电陶瓷，产生波长可线性调谐的泵浦激光。泵浦激发形成的双梳带宽大，可以覆盖多种气体的指纹吸收区域。干涉形成的射频谱可以以超高的频率分辨率恢复气体吸光度谱。初始光信号经过光增益放大与偏振态调控后，通过倒锥形模斑转换器耦合到克尔微腔的总线直波导。波长扫描的泵浦激光激发同一微腔的正交偏振基模谐振峰，形成具有超低重复频率差的双梳。光场传播至传感波导中，双梳倏逝波通过与传感器芯片所在的气体氛围相互作用，携带待测物的种类与浓度信息，通过射频谱分析模块采集多外差射频谱，计算吸光度，并通过数据处理分析反演气体浓度。伺服控制器产生的信号反馈到微加热器中实现整个双光梳传感器的热稳定。本发明集成了片上单腔双梳光源和传感单元，具有可同时多痕量气体探测的能力，装置紧凑度好、适用于多种现场应用。

3、本发明中基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置基于商业化的厚硅波导工艺，传输损耗低，能够实现高质量因子微腔。色散工程下的倍频程宽带光谱，可以用于多种气体的原位检测。

附图说明

图1为本发明实施例一中片上微腔双光梳传感器结构示意图。

图2为本发明应用实例中片上微腔双光梳传感器微腔波导的群折射率图。

图3为本发明应用实例中片上微腔双光梳传感器微腔波导的二阶群色散图。

图4为本发明应用实例中片上微腔双光梳传感器微腔波导的扫描正交偏振谐振模式图。

图5为利用本发明的片上微腔双光梳传感器在600mW激光功率下使用混合偏振单泵浦方案激发传感器微腔正常色散区内的两个相邻正交偏振谐振模形成的克尔双梳光谱及其他多外差射频谱图。

图6为本发明实施例二中基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置的结构框图。

图7为本发明实施例二中基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置的使用操作流程图。

其中：1-混合偏振泵浦激光模块；11-泵浦激光器；12-光放大器与可调谐光学带通滤波器；13-光偏振控制器；14-聚焦透镜；15-锥形透镜光纤；2-电学控制系统；21-波形信号发生器；22-激光器内置压电陶瓷；23-恒压控制电路模块；24-反向偏置电压源；25-电压放大模块；26-PID伺服控制模块；27-双向测温驱动电路模块；3-片上微腔双光梳传感器；31-光纤耦合输入倒锥形模斑转换器；32-微腔耦合总线直波导；33-克尔波导微腔；34-金属接触；35-光纤耦合输出倒锥形模斑转换器；36-传感波导；37-热电半导体制冷片；4-光谱分析与数据处理系统；41-锥形透镜光纤与光分束器；42-光学频谱分析模块；43-红外光电探测模块；44-射频谱分析模块。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例一：

参照附图1所示的一种片上微腔双光梳传感器，所述片上微腔双光梳传感器3包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器31、微腔耦合总线直波导32、克尔波导微腔33、金属接触34、光纤耦合输出倒锥形模斑转换器35、传感波导36和热电半导体制冷片37；本发明中的片上微腔双光梳传感器3是在硅波导衬底上生长制造的。

具体的，所述光纤耦合输入倒锥形模斑转换器31位于所述微腔耦合总线直波导32的前端，所述光纤耦合输出倒锥形模斑转换器35位于所述传感波导36的末端；所述微腔耦合总线直波导32中的泵浦光场通过间隙与所述克尔波导微腔33耦合，能量耦合比例由微腔耦合总线直波导32与克尔波导微腔33之间的间距及克尔波导微腔33在耦合节点处的曲率半径决定。腔内形成的克尔双梳光场耦合回到微腔耦合总线直波导32后，通过锥形过渡波导到达窄化的条形传感波导。

所述的制备克尔波导微腔33采用硅波导平台，具有生成偏振克尔双梳的作用，也可以使用氮化硅、氮化铝、铝镓砷及铌酸锂等材料替代，腔体结构为微盘、微环、微球、微柱等环形腔、多边形腔等形状，微腔波导截面类型为矩形、脊形或其他形状。在该实施例中，近方形或深刻蚀脊形克尔波导微腔33是通过加工3μm厚硅波导制作的，衬底为硅，BOX层为氧化硅。优化的硅波导截面的厚度与宽度大且接近，使得波导的二阶群速度色散较为平坦，正交偏振基模之间的小折射率差带来了双梳的小重复频率差异。

所述的传感波导36具有增大气体与光相互作用距离的作用，可以采用矩形波导、脊型波导、悬浮波导、不同数量的水平或垂直狭缝数的狭缝波导或光子晶体波导等结构实现。在本实施例中，所述的传感波36为窄化的条形硅波导，能够增大双梳光场在空气中的能量分布，从而增大气体传感装置的灵敏度。

所述热电半导体制冷片37贴在片上微腔双光梳传感器3底部，使用导热树脂填空缝隙，用于实现器件恒温。

所述金属接触34位于所述克尔波导微腔33脊形截面两侧顶部，用于反向偏置电压的施加，所述金属接触34可以使用铝、金、银等金属材料进行制备，其作用为施加反向电压抑制硅波导的多光子吸收效应，减小光生载流子对克尔频率梳生成的影响。

本发明中片上微腔双光梳传感器的工作原理为：正向扫描的混合偏振泵浦光耦合注入到克尔波导微腔33中，激发正交偏振态的两个微腔模式，从模式的蓝移失谐区过度并稳定到红移失谐区过程中，累积的泵浦光场激发硅波导的四波混频与克尔非线性效应形成单腔正交偏振双克尔梳，具有特定的梳齿和频率。随后光梳光场经过微腔耦合总线直波导32后传播至具有特殊结构设计的大长度传感波导36，传感波导36中传播的光场在空气中具有高的能量分布，待测气体特异性吸收光梳能量，将气体种类和浓度信息加载至出射光梳光谱的强度分布上，通过光纤耦合输出倒锥形模斑转换器35输出后用于光谱分析。

对本发明中片上微腔双光梳传感器的性能进行理论分析，分析依据为针对微腔波导的有限元仿真，及以仿真为基础的理论计算和推导结果。有限元仿真内容为波长-有效折射率及耦合间距-耦合效率关系，并以此推导了群折射率、二阶及高阶色散系数、克尔波导微腔谐振模式分布与耦合质量因子等。

片上微腔双光梳传感器微腔波导的群折射率图如附图2所示，从附图2中可以看出，所设计的克尔波导微腔的正交偏振基模满足超小群折射率差异条件，用于生成具有超小重复频率差异的正交偏振双梳。

片上微腔双光梳传感器微腔波导的二阶群色散图如附图3所示，从附图3中可以看出，正交偏振基模的超小群折射率差异造成了几乎重合的二阶群色散曲线，根据色散曲线设置泵浦波长可以改变生成孤子双梳类型，如暗-暗、亮-亮、亮-暗矢量孤子双梳。

片上微腔双光梳传感器微腔波导的扫描正交偏振谐振模式图如附图4所示，从附图4中可以看出，通过合理的微腔波导长度设计，可以获得无高阶模式干扰的临近正交偏振基模谐振峰，允许使用混合偏振单泵浦光进行激励。

利用本发明中的片上微腔双光梳传感器在600mW激光功率下，使用混合偏振单泵浦方案激发传感器微腔正常色散区内的两个相邻正交偏振谐振模形成的暗-暗克尔双梳光谱及其他多外差射频谱图如附图5所示，从附图5中可以看出，通过激发正交偏振谐振模式可以获得光谱性质相似的暗孤子双梳光谱，并通过光学多外差拍频形成射频梳。

实施例二：

实施例二将实施例一中的片上微腔双光梳传感器应用在片上气体检测装置中，具体是应用在基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置中。

具体的，所述基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置如附图6所述，除片上微腔双光梳传感器3以外，还包括混合偏振泵浦激光模块1、电学控制系统2和光谱分析与数据处理系统4；所述片上微腔双光梳传感器3的输入端和输出端分别与所述混合偏振泵浦激光模块1和光谱分析与数据处理系统4连接，所述电学控制系统2与所述混合偏振泵浦激光模块1和片上微腔双光梳传感器3连接。

具体的，所述混合偏振泵浦激光模块1用于产生具有特定偏振特性的泵浦激光，包括泵浦激光器11、光放大器与可调谐光学带通滤波器12、光偏振控制器13、聚焦透镜14和锥形透镜光纤15，所述片上微腔双光梳传感器3的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器31具有连接片上微腔双光梳传感器3和锥形透镜光纤15的作用。片上微腔双光梳传感器3的输入端与混合偏振泵浦激光模块1连接，片上微腔双光梳传感器3的输出端与光谱分析与数据处理系统4进行连接。精细调节多维调整架改变大数值孔径锥形透镜光纤的位置与角度，使其对准倒锥形波导模板转换器的中心，实现最大耦合效率。

所述泵浦激光器11具有波长可调谐特性，具体为波长可调谐连续波激光器，泵浦波长不限于可见光、近红外、中红外及其他波段，激光器类型不限于半导体激光器、光纤激光器或光参量振荡器等，激光器数量不限于一个或两个；所述光放大器与可调谐光学带通滤波器12具有增大光功率放大的作用，可以通过稀土掺杂的光纤放大器或波导放大器实现。所述光偏振控制器13具有改变泵浦光偏振态的作用，可将泵浦光偏振态调整为准TE模式、准TM模式或者任意混合偏振模式，单个激光器时为混合偏振态，两个激光器时为正交偏振态；偏振控制器类型不限于光纤型偏振控制器或由线偏振片和波片组成的空间型偏振控制器。所述聚焦透镜14具有汇聚泵浦光场能量的作用，透镜类型不限于双凸形、平凸形及月牙凸形等，透镜材料不限于BK7、石英等。

光信号经过光放大器与可调谐光学带通滤波器12和可光偏振控制器13后得到所需偏振态大功率激光，经聚焦透镜14会聚后通过锥形透镜光纤15耦合对接到片上微腔双光梳传感器3的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器31。克尔波导微腔33中的累积光场激发非线性效应形成单腔正交偏振双克尔梳，光场经过微腔耦合总线直波导32后在传感波导36处携带气体信息，通过光纤耦合输出倒锥形模斑转换器35传输到光谱分析与数据处理系统4。泵浦激光器11的波长最大调节范围大于克尔波导微腔33的一个自由光谱范围。

所述电学控制系统2包括用于与所述泵浦激光器11连接的泵浦激光器调控组件，用于对所述金属接触34施加反向偏置电压的反向偏置电压调控组件，以及用于控制所述电半导体制冷片37温度的温度控制组件，具体参数由硬件电路的模拟信号或虚拟仪器的数字信号输出进行控制。

所述泵浦激光器调控组件包括波形信号发生器21和激光器内置压电陶瓷22，所述波形信号发生器21、激光器内置压电陶瓷22与所述泵浦激光器11依次连接，用于进行泵浦激光器11的正向扫描失谐，利用波形信号发生器21的输出电压信号驱动激光器内置压电陶瓷22，正向扫谐光信号经过光放大器与可调谐光学带通滤波器12和可光偏振控制器13后得到所需偏振态大功率激光。所述激光器内置压电陶瓷22作为泵浦激光器11的波长微调的促动器，施加电压使得光参量振荡器中的激光器内置压电陶瓷22产生电致伸缩，进而使相位匹配晶体发生形变，改变出射波长；根据激光器结构的不同，促动器类型不限于激光器电流控制器、温度控制器。

所述反向偏置电压调控组件包括恒压控制电路模块23、反向偏置电压源24和电压放大模块25；所述恒压控制电路模块23、反向偏置电压源24和电压放大模块25与所述金属接触依次连接，所述恒压控制电路模块23对反向偏置电压源24进行监测与反馈，使其产生的电压信号恒定在预设值，再通过电压放大模块25放大后施加在片上微腔双光梳传感器3的金属接触34，用于施加反向偏置电压调控微腔波导载流子特性。

所述温度控制组件包括PID伺服控制模块26和双向测温驱动电路模块27，双向测温驱动电路模块27与热电半导体制冷片37通过导线连接，伺服PID控制模块26根据采集的温度信息，产生实时反馈信号到双向测温驱动电路模块27，其电流输出加载在热电半导体制冷片37上使得传感器芯片始终处于热稳定，用于实现片上微腔频率梳传感器3的恒定温度，促进热稳定状态下的克尔波导微腔33中偏振复用克尔双梳的生成，保证装置用于气体检测的可靠性。PID伺服控制模块26和双向测温驱动电路模块27可以集成为高精度PID稳定控制器。生成的频率梳在热调谐作用下实现热锁定。

所述光谱分析与数据处理系统4包括锥形透镜光纤与光分束器41和用于对光谱特征进行分析的多个分析模块，所述锥形透镜光纤与光分束器41由锥形透镜光纤和光分束器合并形成，锥形透镜光纤用于连接倒锥形模斑转换器35和光分束器，因此采用锥形透镜光纤与光分束器41可直接与所述光纤耦合输出倒锥形模斑转换器35连接。

多个所述分析模块具体包括光学频谱分析模块42、红外光电探测模块43和射频谱分析模块44，所述锥形透镜光纤与光分束器41的输出分别与所述光学频谱分析模块42、红外光电探测模块43连接，实时采集光梳光谱与干涉脉冲；红外光电探测模块43和射频谱分析模块44通过电信号连接，进行傅里叶变换得到高分辨率的射频谱。所述光谱分析与数据处理系统4用于分析从传感器芯片输出的偏振双梳光谱形态、探测双梳干涉脉冲、克尔梳的重复频率及吸收前后的多外差干涉频谱，并用于吸光度谱的计算，进而反演得到气体种类与浓度；所述的光学频谱分析模块42具有分析与存储光梳功率谱形态的作用，装置类型不限于商用或自制的傅里叶变换光谱仪、光纤光谱仪等。

本发明中基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置可用于气体种类解析与浓度反演，其具体操作过程如附图7所示，包括以下步骤，

S1：组装基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置；

依次连接泵浦激光器11、光放大器与可调谐光学带通滤波器12、光偏振控制器13、聚焦透镜14和锥形透镜光纤15形成单泵浦或双泵浦的混合偏振泵浦激光模块1；连接电学控制系统2各模块并输出到泵浦激光器11、金属接触34和热电半导体制冷片37。依次连接锥形透镜光纤与光分束器41、光学频谱分析模块42、红外光电探测模块43和射频谱分析模块44形成光谱分析与数据处理系统4。

S2：使用显微观测设备对步骤S1中组装的片上气体检测装置进行精细调节；

将满足光参量振荡阈值功率的种子光通过具有大数值孔径的锥形透镜光纤与片上微腔双光梳传感器3的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器31进行耦合，并通过调整多维调整架优化耦合效率。对经过片上微腔双光梳传感器3后的光束，使用具有大数值孔径的锥形透镜光纤与传感波导36末端的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器35进行耦合，并通过调整多维调整架优化耦合效率。

S3：根据所需的偏振复用双梳类型和探测目标，选择相应的偏振泵浦激光模块1泵浦方案；

所述泵浦方案包括：1)单泵浦激发正交偏振谐振模，此时，调整光偏振控制器13使得可调谐连续波泵浦激光器11出射激光转变为特定偏振度的混合偏振态(即椭圆偏振光)；2)双泵浦激发正交偏振谐振模，此时，调整两个光偏振控制器13使得可调谐连续波泵浦激光器11出射激光分别转变为准横电(TE)模式和准横磁(TM)模式(即线偏振光)。

输出功率不足时还需要使用调节光放大器与可调谐光学带通滤波器12，使得泵浦激光的强度与偏振态满足四波混频的功率要求与准相位匹配条件，同时滤除放大过程中产生的自发辐射噪声，作为正交偏振克尔双梳生成的种子光源。

S4：通过电学控制系统2控制偏振泵浦激光模块1，使偏振泵浦激光模块1的输出波长能够激发克尔波导微腔33腔内四波混频效应；

通过波形信号发生器32生成一个三角波扫描信号，并输出到激光器内置压电陶瓷22的输入端，使得泵浦激光器11的输出波长能够扫过克尔波导微腔33的正交偏振谐振峰，从微腔谐振的蓝失谐区过渡到红失谐区，激发腔内四波混频效应。

S5：将片上微腔双光梳传感器3输出的光谱分束到光谱分析与数据处理系统4进行实时光谱的观测与孤子状态检测；

将片上微腔双光梳传感器3输出的锥形透镜光纤15分束到光谱分析与数据处理系统4进行实时光谱的观测与孤子状态检测。当光学频谱分析模块42中的实时采集光谱达到预设状态时，停止任意波形信号发生器21的扫描，依赖于高精度的PID伺服控制模块26反馈控制热电半导体制冷片37，使得片上微腔双光梳传感器3处于热锁定状态。通过锥形透镜光纤与光分束器41分束后的光场通过红外光电探测模块43连接的射频谱分析模块44进行观测，完成分析重复频率和采集多外差射频谱。

S6：分别采集在氮气背景氛围以及待测气体氛围中测量得到的多外差干涉谱，并导入到计算机端进行吸光度谱的计算，参照卷积光谱仪仪器函数后的标准高分辨率吸收数据库吸光度，使用最小二乘法等方法进行拟合、或使用机器学习方法如神经网络、极限学习机、支持向量机等模型进行反演，以获得待测样品的浓度与种类。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种片上微腔双光梳传感器，所述片上微腔双光梳传感器(3)包括硅波导衬底，特征在于：还包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器(31)、微腔耦合总线直波导(32)、克尔波导微腔(33)、金属接触(34)、光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(35)、传感波导(36)和热电半导体制冷片(37)；

微腔耦合总线直波导(32)中的泵浦光场通过间隙与所述克尔波导微腔(33)耦合，所述热电半导体制冷片(37)位于所述硅波导衬底的底部；所述金属接触(34)位于所述克尔波导微腔(33)脊形截面两侧顶部。

2.根据权利要求1所述的一种片上微腔双光梳传感器，其特征在于：所述克尔波导微腔(33)的腔体结构包括环形腔或者多边形腔，微腔波导截面类型包括矩形或者脊形。

3.一种片上气体检测装置，其特征在于：包括权利要求1或2中所述的片上微腔双光梳传感器。

4.根据权利要求3所述的一种片上气体检测装置，其特征在于：所述片上气体检测装置为基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置。

5.根据权利要求4所述的一种片上气体检测装置，其特征在于：所述基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置还包括混合偏振泵浦激光模块(1)、电学控制系统(2)和光谱分析与数据处理系统(4)；所述片上微腔双光梳传感器(3)的输入端和输出端分别与所述混合偏振泵浦激光模块(1)和光谱分析与数据处理系统(4)连接，所述电学控制系统(2)与所述混合偏振泵浦激光模块(1)和片上微腔双光梳传感器(3)连接。

6.根据权利要求5所述的一种片上气体检测装置，其特征在于：所述混合偏振泵浦激光模块(1)包括泵浦激光器(11)、光放大器与可调谐光学带通滤波器(12)、光偏振控制器(13)、聚焦透镜(14)和锥形透镜光纤(15)，所述泵浦激光器(11)与所述电学控制系统(2)连接，所述锥形透镜光纤(15)与所述片上微腔双光梳传感器(3)的输入端耦合。

7.根据权利要求6所述的一种片上气体检测装置，其特征在于：所述电学控制系统(2)包括用于与所述泵浦激光器(11)连接的泵浦激光器调控组件，用于对所述金属接触(34)施加反向偏置电压的反向偏置电压调控组件，以及用于控制所述电半导体制冷片(37)温度的温度控制组件。

8.根据权利要求7所述的一种片上气体检测装置，其特征在于：所述光谱分析与数据处理系统(4)包括锥形透镜光纤与光分束器(41)和用于对光谱特征进行分析的多个分析模块，所述锥形透镜光纤与光分束器(41)的输入端与所述光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(35)连接。

9.如权利要求5-8任一项所述的一种片上气体检测装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：组装基于偏振复用单腔克尔双梳的片上气体检测装置；

S2：使用显微观测设备对步骤S1中组装的片上气体检测装置进行精细调节；

S3：根据所需的偏振复用双梳类型和探测目标，选择相应的偏振泵浦激光模块(1)泵浦方案；

S4：通过电学控制系统(2)控制偏振泵浦激光模块(1)，使偏振泵浦激光模块(1)的输出波长能够激发克尔波导微腔(33)腔内四波混频效应；

S5：将片上微腔双光梳传感器(3)输出的光谱分束到光谱分析与数据处理系统(4)进行实时光谱的观测与孤子状态检测；

S6：分别采集在氮气背景氛围以及待测气体氛围中测量得到的多外差干涉谱，进行吸光度谱的计算，以获得待测样品的浓度与种类。

10.根据权利要求9所述的一种片上气体检测装置的应用方法，其特征在于，步骤S3中所述的泵浦方案包括单泵浦激发正交偏振谐振模和双泵浦激发正交偏振谐振模。