CN117782978A - 一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用，属于近红外分析物检测领域，气体检测装置包括泵浦激光产生模块、片上微腔频率梳传感器和控制系统，泵浦激光产生模块的输出端与上微腔频率梳传感器的输入端耦合，片上微腔频率梳传感器的输出端与控制系统耦合，控制系统用于控制泵浦激光产生模块和片上微腔频率梳传感器的工作状态，完成对多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测；本装置利用微腔中形成的高转换效率宽带相干克尔频率梳作为光源，集成在空气中具有高限制因子的传感波导，通过后端的光谱分析与处理，可以实时对多组分气体的种类与浓度进行反演，具有检测气体种类多样、系统体积小、集成度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及红外分析物检测技术领域，具体涉及一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用。
背景技术
微腔频率梳的产生利用了波导材料的克尔非线性效应与四波混频过程，也因此被称为克尔频率梳。通过色散工程与微腔参数控制形成的频率梳光谱具有跨倍频程的宽度，是一种理想的宽带相干光源，可以用于多组分气体传感技术。片上频率梳芯片具有紧凑的体积，但目前已报道的传感系统在使用时都需要额外的气室，系统体积庞大、集成度低，便携性不足。
光波导传感依赖于光场在波导表层传播的倏逝场分布，可以通过设计的狭缝结构增大在空气中的能量占比，增强光与气体物质的相互作用，或使用光子晶体慢光波导的慢光效应，增加光程。但目前的光波导传感器普遍采用单一波长的连续波激光，仅能实现单组分气体检测。将微腔频率梳光源与光波导传感器进行片上集成，在芯片输出端用光谱仪获取吸收光谱，可以实现实时多组分检测，但在现有技术中，并未设计出可以将微腔频率梳光源与光波导传感器进行片上集成的传感装置。
针对以上问题，亟需设计一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，以解决上述现有技术存在的现有光波导传感系统可检测气体种类单一、系统体积庞大、集成度低的不足的问题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用，本装置利用微腔中形成的高转换效率宽带相干克尔频率梳作为光源，集成在空气中具有高限制因子的传感波导，通过后端的光谱分析与处理，可以实时对多组分气体的种类与浓度进行反演，具有检测气体种类多样、系统体积小、集成度高的特点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种片上集成微腔克尔频率梳传感器，包括硅衬底，还包括集成在硅衬底上的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器、微腔耦合输入直波导、水平狭缝波导微环谐振腔、背向耦合干涉臂波导、干涉臂波导加热器、微腔波导加热器、微腔耦合输入直波导、传感波导和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器；
所述光纤耦合输入倒锥形模斑转换器设置在微腔耦合输入直波导的输入端，水平狭缝波导微环谐振腔与微腔耦合输入直波导和微腔耦合输出直波导均通过间隙进行耦合，背向耦合干涉臂波导设置在微腔耦合输入直波导的输出端，微腔耦合输出直波导设置在背向耦合干涉臂波导的输出端，传感波导设置在微腔耦合输出直波导的输出端，光纤耦合输出倒锥形模斑转换器设置在微腔耦合输出直波导的输出端。
优选的，所述的水平狭缝波导微环谐振腔和背向耦合干涉臂波导具有相同的波导结构；所述干涉臂波导加热器设置在干涉臂波导表面，微腔波导加热器设置在微环谐振腔表面，且均与加热器电流控制器的输出端连接；所述传感波导为竖直单空气狭缝波导。
一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，包括片上集成微腔克尔频率梳传感器。
优选的，所述的片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置为基于背向耦合型片上集成微腔克尔频率梳传感器的气体检测装置。
优选的，包括泵浦激光产生模块、片上微腔频率梳传感器和控制系统；
所述泵浦激光产生模块包括泵浦激光器、光放大器、偏振控制器和可调谐带通滤光器，且可调谐带通滤光器通过输入锥形透镜光纤与片上微腔频率梳传感器耦合；
所述上微腔频率梳传感器包括集成在同一个衬底上的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器、微腔耦合输入直波导、水平狭缝波导微环谐振腔、背向耦合干涉臂波导、干涉臂波导加热器、微腔波导加热器、微腔耦合输入直波导、传感波导和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器；
所述控制系统用于控制泵浦激光产生模块和片上微腔频率梳传感器的工作状态。
优选的，所述的泵浦激光器的波长最大调节范围大于片上光学微腔的一个自由光谱范围。
优选的，所述的水平狭缝波导微环谐振腔与背向耦合干涉臂波导之间存在两个耦合节点。
优选的，所述的控制系统包括激光电流控制器、任意波形信号发生器、高精度伺服PID控制器、加热器电流控制器、射频谱分析模块和吸收光谱分析模块；
所述任意波形信号发生器通过激光电流控制器与泵浦激光器连接；
所述高精度伺服PID控制器通过加热器电流控制器与微腔加热器和干涉臂微加热器连接；
所述射频谱分析模块与吸收光谱分析模块均通过锥形透镜光纤和光纤分束器与光纤耦合输出倒锥形模斑转换器连接。
一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置的应用，应用片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置进行多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测。
优选的，应用片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置进行多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测的过程包括：
步骤一、将气体检测传感系统各光学及电学设备进行连接；
步骤二、精细调节输入及输出耦合透镜光纤，使其对准频率梳传感器输入输出模斑转换器中心；
步骤三、设置激光器的放大倍数与输出偏振态；
步骤四、设置激光器的驱动电流，使其输出波长从小到大扫过微腔的某一谐振峰；
步骤五、观测输出频率梳的重复频率及光谱，采集背景氛围及待测样品组分下的热稳定克尔频率梳光谱；
步骤六、对吸收前后的光谱数据进行处理，并通过比较标准数据库进行气体种类与浓度的反演。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
本发明设计了一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置及其应用，
1.本发明设计了一种片上集成微腔克尔频率梳传感器，包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器、微腔耦合输入直波导、水平狭缝波导微环谐振腔、背向耦合干涉臂波导、干涉臂波导加热器、微腔波导加热器、微腔耦合输入直波导、传感波导和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器，本背向耦合型片上集成微腔克尔频率梳传感器采用了干涉型结构，输出功率高，泵浦功率的转换效率高；同时本传感器将传感波导与用于频率梳生成的微腔波导集成在同一衬底上，具有高集成度与紧凑性；
2.本发明设计了一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，包括泵浦激光产生模块、片上微腔频率梳传感器和控制系统，本装置通过利用微腔中形成的高转换效率宽带相干克尔频率梳作为光源，集成在空气中具有高限制因子的传感波导，通过后端的光谱分析与处理，可以实时对多组分气体的种类与浓度进行反演；同时本装置采用了背向耦合的反馈干涉臂结构，形成的孤子晶体梳或多脉冲频率梳(光谱形态由注入微环的泵浦功率和微腔耦合状态决定)可以很好的覆盖多种气体的指纹吸收区域；具有检测气体种类多样、系统体积小、集成度高的优点。
附图说明
图1为本发明片上集成微腔克尔频率梳传感器结构示意图。
图2为本发明片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置的工作原理图；
图3为利用本发明片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置测量待测气体的操作流程图。
图4为本发明实施例4传感器微腔波导的群速度色散图及波导截面图。
图5为本发明实施例4传感器在1W泵浦功率下重复频率为10GHz时的输出频域光谱图。
图6为本发明实施例4传感器在1W泵浦功率下重复频率为10GHz时的输出时域脉冲图(截取了部分时间)。
其中：1.泵浦激光产生模块，11.泵浦激光器，12.光放大器，13.偏振控制器，14.可调谐带通滤光器；2.片上微腔频率梳传感器，21.光纤耦合输入倒锥形模斑转换器，22.微腔耦合输入直波导，23.水平狭缝波导微环谐振腔，24.背向耦合干涉臂波导，25.干涉臂波导加热器，26.微腔波导加热器，27.微腔耦合输入直波导，28.传感波导，29.光纤耦合输出倒锥形模斑转换器；3.控制系统，31.激光电流控制器，32.任意波形信号发生器，33.高精度伺服PID控制器，34.加热器电流控制器，35.射频谱分析模块，36.吸收光谱分析模块。
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1：参照附图1所示，本实施例设计了一种片上集成微腔克尔频率梳传感器，包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21、微腔耦合输入直波导22、水平狭缝波导微环谐振腔23、背向耦合干涉臂波导24、干涉臂波导加热器25、微腔波导加热器26、微腔耦合输入直波导27、传感波导28和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器29，上述各片上传感器均是在硅衬底上生长制作的，使之形成一个集成芯片，提高集成效果。
具体的，所述的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器29具有耦合连接泵浦激光产生模块1、片上微腔频率梳传感器2和控制系统3的作用，同时在耦合的过程中还可以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斑转换器的中心，实现最大耦合效率。
具体的，所述的微腔耦合输入直波导22用于将耦合进入光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21的光场分束到水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24中，其分束比例由微腔耦合输入直波导22与水平狭缝波导微环谐振腔23之间的间距决定。
具体的，所述的水平狭缝波导微环谐振腔23是在硅衬底上化学气相沉积形成的，下包层和上包层为氮化硅，芯层为二氧化硅，优化的各层厚度及大宽度使得波导色散较为平坦；小的模式面积使得光子密度较大，强的克尔效应使得光场发生四波混频形成频率梳。
具体的，所述的背向耦合干涉臂波导24具有和微环谐振腔23相同的波导结构，将未耦合进微环谐振腔23的泵浦光场能量再次反馈到微腔内，与腔内频率梳中的泵浦波长成分相干相消，增大泵浦能量的转换效率。
具体的，所述的干涉臂波导加热器25贴设在干涉臂波导24表面，电极连接到加热器电流控制器34的输出端；通过改变驱动电流加热干涉臂波导24，改变热调谐相位，调整微腔内和干涉臂中泵浦光场的相位差从而调控泵浦耗尽程度。
具体的，所述的微腔波导加热器26贴在微环谐振腔23表面，电极连接到加热器电流控制器34的输出端；高精度伺服PID控制器33根据采集的温度信息进行比例-积分-微分运算，生成反馈信号加载至加热器电流控制器34改变电流，用于加热微环谐振腔23以实现恒温，使得生成的频率梳在热调谐作用下实现热锁定。
具体的，所述的微腔耦合输出直波导27将水平狭缝波导微环谐振腔23的耦合能量与背向耦合干涉臂波导24通过能量合束，形成用于气体传感的光频梳；微腔能量的耦合比例及干涉臂能量的通过比例由微腔耦合输出直波导27与水平狭缝波导微环谐振腔23之间的间距决定。
具体的，所述的传感波导28为竖直单空气狭缝波导，可以增大光场在空气中的能量分布比例，从而提高气体检测装置的灵敏度。
实施例2：参考图2-3所示，与实施例1不同的是，将实施例1所述的片上集成微腔克尔频率梳传感器应用在片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置中，得到能够应用于多种气体检测的背向耦合型片上集成微腔克尔频率梳传感器的气体检测装置，所述检测装置包括泵浦激光产生模块1、片上微腔频率梳传感器2和控制系统3；其中
所述泵浦激光产生模块1的输出端与上微腔频率梳传感器2的输入端耦合，用于产生具有特定偏振特性的泵浦激光，输出满足光参量振荡阈值功率的准TE模式激光；
所述片上微腔频率梳传感器2在控制系统3的驱动下实现长期高效地稳定运行，作为背向耦合型片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置的核心单元，具有生成用于多气体传感的宽带克尔光频梳，及与待测气体进行相互作用的功能；
所述控制系统3用于控制泵浦激光产生模块1和片上微腔频率梳传感器2的工作状态，通过采集光谱信息完成对多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测；
其中，所述泵浦激光产生模块1的输出端与片上微腔频率梳传感器2的输入端的耦合、片上微腔频率梳传感器2的输出端与控制系统3中的射频谱分析模块及吸收光谱分析模块的耦合均是通过锥形透镜光纤实现的，片上微腔频率梳传感器2的输出端可以采用片上倒锥形模斑转换器或光栅耦合器结构与锥形透镜光纤实现对接。
优选的，为产生具有特定偏振特性的泵浦激光，设计所述的泵浦激光产生模块1包括泵浦激光器11、光放大器12、偏振控制器13和可调谐带通滤光器14；其中
所述泵浦激光器11为用于出射激光的波长可调谐连续波激光器，泵浦波长不限于近红外、中红外及其他波段，激光器类型不限于半导体激光器、气体激光器或光纤激光器；
所述光放大器12具有增大光功率的作用，用于对经泵浦激光器11出射的激光的功率进行增加，使用时，可以通过稀土掺杂的光纤放大器或波导放大器实现；
所述偏振控制器13用于改变光放大器12输出的泵浦光偏振态，通常将偏振态调整为准TE模式；
所述可调谐带通滤光器14用于滤除光放大器12放大过程中产生的自发辐射噪声，得到用于频梳生成的种子光源。
优选的，为便于对满足光参量振荡阈值功率的准TE光利用模斑耦合器进行耦合，设计所述的上微腔频率梳传感器2包括光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21、微腔耦合输入直波导22、水平狭缝波导微环谐振腔23、背向耦合干涉臂波导24、干涉臂波导加热器25、微腔波导加热器26、微腔耦合输出直波导27、传感波导28和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器29；且上述用于微腔频率梳生成及片上气体传感均集成在同一个衬底上；其中
所述水平狭缝波导微环谐振腔23用于生成以泵浦激光产生模块1的输出光为种子光源的克尔频率梳；在使用时，可以使用氮化硅、氮化铝、硅、铝镓砷及铌酸锂等材料制作而成，其腔体结构可以为微盘、微环、微球、微柱等环形腔、多边形腔等形状；
所述背向耦合干涉臂波导24用于将在微腔耦合输入直波导22处未耦合至水平狭缝波导微环谐振腔23的泵浦光重新反馈到水平狭缝波导微环谐振腔23，反馈耦合的位置在微腔耦合输出直波导27；
所述微腔耦合输出直波导27用于将水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24中的克尔光学频率梳进行合束，输出端连接到传感波导28的输入端；
所述传感波导28用于增加生成的频率梳与待测多气体分析物之间的相互作用距离，将气体吸收的种类与浓度信息加载到光梳光谱强度上；在使用时，可以采用矩形、脊型、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；通过光纤耦合输出倒锥形模斑转换器29耦合到锥形透镜光纤上，分束后连接至射频谱分析模块35和吸收光谱分析模块36；
所述微腔波导加热器26用于接收加热器电流控制器34的控制，对水平狭缝波导微环谐振腔23进行加热，使得水平狭缝波导微环谐振腔23的腔长不会因环境温度波动发生漂移，使得生成的克尔光频梳的梳齿频率与强度能够保持长期稳定，当光谱线型达到预设状态时，高精度伺服PID控制器33生成反馈信号加载至加热器电流控制器34改变电流，用于加热微环谐振腔23以实现恒温；
所述干涉臂波导加热器25用于接收加热器电流控制器34的控制，对背向耦合干涉臂波导24进行加热，使得背向耦合干涉臂波导24的长度不会因环境温度波动发生漂移，使得背向耦合的反馈光场具有恒定的热调谐相位，；当光谱线型达到预设状态时，高精度伺服PID控制器33生成反馈信号加载至加热器电流控制器34改变电流，用于背向耦合干涉臂波导24以实现恒温。
优选的，为控制泵浦激光产生模块1和片上微腔频率梳传感器2动作，设计所述的控制系统3用于控制及反馈泵浦激光器11的工作状态、片上微腔频率梳传感器2的工作温度以及背向耦合干涉臂波导24的热调谐相位，保证生成的频率梳处于热稳定状态且具有高的泵浦转换效率，并将其作为宽带光源应用于传感波导28中的气体检测；包括激光电流控制器31、任意波形信号发生器32、高精度伺服PID控制器33、加热器电流控制器34、射频谱分析模块35和吸收光谱分析模块36；其中
所述的控制系统3在使用时，利用任意波形信号发生器32的输出信号控制激光电流控制器31，激光电流控制器31控制可调谐连续波泵浦激光器11出射激光，初始光信号经过光放大器12、偏振控制器13和可调谐带通滤光器14后，通过锥形透镜光纤耦合到光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21，并经过微腔耦合输入直波导22耦合到水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24中，频率梳合束后经过微腔耦合输出直波导27到达传感波导28，通过锥形模斑转换器耦合到锥形透镜光纤，分束到射频谱分析模块35及吸收光谱分析模块36中；当光谱线型达到预设状态时，高精度伺服PID控制器33生成反馈信号加载至加热器电流控制器34改变电流，使得片上微腔频率梳传感器2保持热稳定；
所述任意波形信号发生器32可以发射任意波信号，并输出三角波扫描信号到激光电流控制器31的控制端；
所述高精度伺服PID控制器33通过微腔波导加热器26和水平狭缝波导微环谐振腔23连接，通过干涉臂波导加热器25与背向耦合干涉臂波导24连接，用于控制片上微腔频率梳传感器2温度；
优选的，为产生具有特定偏振特性的泵浦激光，设计泵浦激光器11的波长最大调节范围大于水平狭缝波导微环谐振腔23的一个自由光谱范围。
优选的，所述的水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24之间存在两个耦合节点，使得光场可以在水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24之间传播。
优选的，所述的控制系统3用于泵浦激光器11的驱动和波长微调、克尔水平狭缝波导微环谐振腔23波导温度的控制、以及调谐片上克尔水平狭缝波导微环谐振腔23的谐振峰位置及频率梳的中心频率；且这些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。
实施例3：与上述实施例不同的是，将实施例2所述的片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置应用于多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测过程中，其应用过程包括：
步骤一、调节可调谐连续波泵浦激光器11出射激光，调节光放大器12和偏振控制器13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，并利用可调谐带通滤光器14滤除放大过程中产生的自发辐射噪声，作为用于频梳生成的种子光源；
步骤二、将满足光参量振荡阈值功率的准TE光，通过具有大数值孔径的锥形透镜光纤与片上微腔频率梳传感器2的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器21进行耦合，并通过调节多维调整架优化耦合效率；对经过片上微腔频率梳传感器2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28末端的模斑耦合器进行耦合，并通过调节多维调整架优化耦合效率；
步骤三、按照预先测定的加热器驱动电流与热调谐相位关系，设置加热器电流控制器34的工作温度，保证干涉臂中与微腔内光场耦合的相位差恒定；
步骤四、通过任意波形信号发生器32生成一个三角波扫描信号，并输出到激光电流控制器31的控制端，使得泵浦激光器11的输出波长能够扫过克尔水平狭缝波导微环谐振腔23的某一谐振峰，从微腔谐振区蓝失谐区过渡到红失谐区，并激发腔内四波混频效应；
步骤五、将片上微腔频率梳传感器2输出通过锥形透镜光纤分束到吸收光谱分析模块36，进行实时光谱的观测与孤子状态检测，当光谱达到预设状态时停止任意波形信号发生器32的扫描，利用高精度伺服PID控制器33反馈控制干涉臂波导加热器25和微腔波导加热器26，使得频率梳处于热锁定温度状态；部分光束经分束后滤除泵浦光成分，通过探测器连接的射频谱分析模块35观测重复频率，也可以直接连接到功率计观测功率，计算泵浦转换效率；
步骤六、将分别在氮气背景氛围以及待测气体氛围中测量得到的输出光谱导出到计算机端进行吸光度谱的计算，通过与卷积光谱仪仪器函数的标准高分辨率吸收数据库吸收光谱相比较，使用最小二乘法进行拟合、或使用机器学习方法如神经网络、极限学习机、支持向量机等进行反演获得待测样品的浓度与种类，完成气体浓度与种类的探测。
实施例4：与上述实施例不同的是，此处给出一个具体应用事例：泵浦激光产生模块1通过锥形透镜光纤向片上微腔频率梳传感器2注入了波长为1554nm、功率为1000mW的正向扫描准TE模式种子光源，水平狭缝波导微环谐振腔23与背向耦合干涉臂波导24具有如图4所示的相同水平单狭缝结构，包含底部和顶部的氮化硅层及中央的水平二氧化硅狭缝层，在泵浦波长附近的宽带近红外区域内具有近零平坦色散。水平狭缝波导微环谐振腔23工作于近临界耦合状态。水平狭缝波导微环谐振腔23具有约14.6mm的腔长，对应了图5所示的生成克尔光频梳的约10GHz的模式间距(即重复频率)。此时频率梳为多孤子梳，腔内形成了如图6所示的大量脉冲。
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)
1.一种片上集成微腔克尔频率梳传感器，包括硅衬底，其特征在于：还包括集成在硅衬底上的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器(21)、微腔耦合输入直波导(22)、水平狭缝波导微环谐振腔(23)、背向耦合干涉臂波导(24)、干涉臂波导加热器(25)、微腔波导加热器(26)、微腔耦合输入直波导(27)、传感波导(28)和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(29)；
所述光纤耦合输入倒锥形模斑转换器(21)设置在微腔耦合输入直波导(22)的输入端，水平狭缝波导微环谐振腔(23)与微腔耦合输入直波导(22)和微腔耦合输出直波导(27)均通过间隙进行耦合，背向耦合干涉臂波导(24)设置在微腔耦合输入直波导(22)的输出端，微腔耦合输出直波导(27)设置在背向耦合干涉臂波导(24)的输出端，传感波导(28)设置在微腔耦合输出直波导(27)的输出端，光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(29)设置在微腔耦合输出直波导(27)的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种片上集成微腔克尔频率梳传感器，其特征在于：所述的水平狭缝波导微环谐振腔(23)和背向耦合干涉臂波导(24)具有相同的波导结构；所述干涉臂波导加热器(25)设置在干涉臂波导(24)表面，微腔波导加热器(26)设置在微环谐振腔(23)表面，且均与加热器电流控制器的输出端连接；所述传感波导(28)为竖直单空气狭缝波导。
3.一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：包括权利要求1或2所述的片上集成微腔克尔频率梳传感器。
4.根据权利要求3所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：所述的片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置为基于背向耦合型片上集成微腔克尔频率梳传感器的气体检测装置。
5.根据权利要求4所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：包括泵浦激光产生模块(1)、片上微腔频率梳传感器(2)和控制系统(3)；
所述泵浦激光产生模块(1)包括泵浦激光器(11)、光放大器(12)、偏振控制器(13)和可调谐带通滤光器(14)，且可调谐带通滤光器(14)通过输入锥形透镜光纤与片上微腔频率梳传感器(2)耦合；
所述上微腔频率梳传感器(2)包括集成在同一个衬底上的光纤耦合输入倒锥形模斑转换器(21)、微腔耦合输入直波导(22)、水平狭缝波导微环谐振腔(23)、背向耦合干涉臂波导(24)、干涉臂波导加热器(25)、微腔波导加热器(26)、微腔耦合输入直波导(27)、传感波导(28)和光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(29)；
所述控制系统(3)用于控制泵浦激光产生模块(1)和片上微腔频率梳传感器(2)的工作状态。
6.根据权利要求5所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：所述的泵浦激光器(11)的波长最大调节范围大于片上光学微腔(21)的一个自由光谱范围。
7.根据权利要求5所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：所述的水平狭缝波导微环谐振腔(23)与背向耦合干涉臂波导(24)之间存在两个耦合节点。
8.根据权利要求5所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置，其特征在于：所述的控制系统(3)包括激光电流控制器(31)、任意波形信号发生器(32)、高精度伺服PID控制器(33)、加热器电流控制器(34)、射频谱分析模块(35)和吸收光谱分析模块(36)；
所述任意波形信号发生器(32)通过激光电流控制器(31)与泵浦激光器(11)连接；
所述高精度伺服PID控制器(33)通过加热器电流控制器(34)与微腔加热器(24)和干涉臂微加热器(25)连接；
所述射频谱分析模块(35)与吸收光谱分析模块(36)均通过锥形透镜光纤和光纤分束器与光纤耦合输出倒锥形模斑转换器(29)连接。
9.如权利要求3-8任一项所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置的应用，其特征在于：应用片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置进行多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测。
10.根据权利要求9所述的一种片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置的应用，其特征在于：应用片上集成微腔克尔频率梳气体检测装置进行多组分待测气体的种类与浓度的反演和检测的过程包括：
步骤一、将气体检测传感系统各光学及电学设备进行连接；
步骤二、精细调节输入及输出耦合透镜光纤，使其对准频率梳传感器输入输出模斑转换器中心；
步骤三、设置激光器的放大倍数与输出偏振态；
步骤四、设置激光器的驱动电流，使其输出波长从小到大扫过微腔的某一谐振峰；
步骤五、观测输出频率梳的重复频率及光谱，采集背景氛围及待测样品组分下的热稳定克尔频率梳光谱；
步骤六、对吸收前后的光谱数据进行处理，并通过比较标准数据库进行气体种类与浓度的反演。
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