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CN107247036B - 一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器 - Google Patents

一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器 Download PDF

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CN107247036B CN201710633147.8A CN201710633147A CN107247036B CN 107247036 B CN107247036 B CN 107247036B CN 201710633147 A CN201710633147 A CN 201710633147A CN 107247036 B CN107247036 B CN 107247036B
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胡海洋
杨建�
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Suzhou Lianxun Instrument Co ltd
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Stelight Instrument Inc
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Abstract

本发明公开了一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器，包括可调激光器、两个垂直耦合的环形谐振腔和一个探测器；第一个环形谐振腔在水平方向与输入和输出波导耦合；第一个环形谐振腔在垂直方向与第二个环形谐振腔通过被测液体相互耦合；本发明利用由于被测液体折射率的改变，引起环形谐振腔的有效折射率和两个环形腔耦合系数的改变，进而导致输出光谱发生变化，最终获得被测液体中折射率变化信息。两个谐振腔之间垂直耦合，使光场往返多次穿过被测液体，大大增加了光场与被测液体的相互作用距离，显著提高了传感器的灵敏度。

Description

一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器
技术领域
本发明涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器。
背景技术
光学传感器在食品安全、环境监测、生物制药和医疗健康等领域有着广泛的应用。光学传感器具有不受电磁干扰、高灵敏度以及可以直接探测生物分子反应的优点。随着光学传感器向高集成度、高灵敏度和小型化的方向发展，集成光波导传感器越来越得到人们的重视。
集成光学传感器大多是基于倏逝波传感，被测物质与波导表面的倏逝波相互作用，从而改变光的传感信号。光波的主要能量集中在波导芯层的导模中，因此通过倏逝波传感的方法，存在被测物质对光信号调制有限的问题。利用光波导的导模进行传感(如狭缝型波导)，虽然增大了被测物质与光场的相互作用，但是同时也增加了传感器的传输损耗，进而影响传感器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器，两个环通过被测液体在垂直方向上相互耦合。光场在两个环形谐振腔之间来回耦合，部分在波导中传播，部分在被测液体中传播，大大增强了被测液体对光场的调制，同时又减少光的传输损耗。当被测液体的折射率发生改变时，两个环的耦合系数发生改变，从而影响了两个环的谐振条件，进而改变了输出光强度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器，包括激光器、第一个形环谐振腔、第二个环形谐振腔、探测器；第一个形环谐振腔的输入波导的输入端与激光器连接，输入波导和输出波导在水平方向与第一个环形谐振腔相耦合，输出波导的输出端与探测器相耦合；所述第一个环形谐振腔和所述第二个环形谐振腔的结构相同，在垂直方向上完全对准，且通过被测液体在垂直方向上相互耦合。
进一步地，所述第一个环形谐振腔和第二个环形谐振腔采用平面集成光波导或者光纤构成。
进一步地，所述第一个环形谐振腔和第二个环形谐振腔的垂直距离为100nm-1μm。
本发明具有的有益效果是：本发明使被测液体在谐振腔的耦合区域内，大大增加了被测液体与光场的相互作用，使传感器更加灵敏。使用单波长激光器作为输入光源，功率计作为探测器，无需测量光谱信息的可调谐光源或者高分辨率光谱仪，大大降低传感器成本。
附图说明
图1为一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器结构示意图；
图2为两个环形谐振腔垂直方向的截面示意图；
图3为两个环的耦合系数随被测液体折射率的变化曲线；
图4为被测液体折射率变化δn时，传感器的输出光谱变化示意图；
图5为传感器输出归一化功率随被测液体折射率的变化曲线；
图中，激光器1、第一个形环谐振腔2、第二个环形谐振腔3、探测器4、输入波导5、输出波导6、被测液体7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器，包括激光器1、第一个形环谐振腔2、第二个环形谐振腔3、探测器4、输入波导5和输出波导6；所述第一个形环谐振腔2的输入波导5的输入端与激光器1连接；所述输入波导5和输出波导6在水平方向与第一个环形谐振腔2相耦合；所述输出波导6的输出端与探测器4相耦合；所述第一个环形谐振腔2和第二个环形谐振腔3的结构相同，在垂直方向上完全对准，且通过被测液体7在垂直方向上相互耦合。
如图2所示，第一个环形谐振腔2和第二个环形谐振腔3通过被测液体7相互耦合。
激光器1发出的光通过输入波导5在水平方向上耦合到第一个环形谐振腔2；光在第一个环形谐振腔传输的过程中与第二个环形谐振腔3通过被测液体7在垂直方向上相互耦合；最终光在水平方向上耦合到输出波导6，并进入探测器4。
所述激光器1的波长λ＝1.504μm，偏振态为TM模式。本实例中传感器的波导芯层材料为Si，其折射率均为nc＝3.4；被测液体7的初始折射率ns＝1.33；第一个环形谐振腔2和第二个环形谐振腔3的光学长度均为L＝1.550mm；忽略全部损耗。所有波导结构均为高a＝220nm，宽b＝500nm，第一个环形谐振腔2与第二个环形谐振腔3的间距为d＝500nm。根据耦合模理论，则两个环形谐振腔之间单位长度上的耦合系数K表示为：
其中，T的表达式为：
由以上八个方程，可求解出K。图3为两个环的耦合系数随被测液体折射率的变化曲线。由图可见，被测液体折射率的变化与耦合系数的变化近似保持线性关系。
假设输入波导5和输出波导6与第一个环形谐振腔2的耦合系数κ2＝0.005，忽略耦合损耗，则双环级联光学传感器的输出透射谱线To可表示为：
由公式(9)可得到双环级联光学传感器的输出透射谱线，如图4所示。当折射率变化0.001时，传感器的透射谱线To的谐振峰移动了约0.3nm。说明此传感器也可工作在波长探测模式，波长探测的灵敏度在300nm/RIU。但是需要用可调光源和探测器，或者宽带光源和光谱分析仪测试光谱信息。
为了降低传感器系统的成本，可使传感器工作在功率探测模式。比如固定入射光波长为1.504μm，图5给出了传感器的透射率随被测液体折射率的变化曲线。从图中可知，此传感器最大灵敏度为5616dB/RIU。如果最小可测得的功率变化为0.01dB，可探测的最小有效折射率变化为1.8×10-6。

Claims (3)

1.一种基于垂直耦合的双环级联光学传感器，其特征在于，包括激光器(1)、第一个形环谐振腔(2)、第二个环形谐振腔(3)、探测器(4)、输入波导(5)和输出波导(6)；第一个形环谐振腔(2)的输入波导(5)的输入端与激光器(1)连接，输入波导(5)和输出波导(6)在水平方向与第一个环形谐振腔(2)相耦合，输出波导(6)的输出端与探测器(4)相耦合；所述第一个环形谐振腔(2)和所述第二个环形谐振腔(3)的结构相同，在垂直方向上完全对准，且通过被测液体(7)在垂直方向上相互耦合；
使用单波长激光器作为输入光源，功率计作为探测器；
两个环形谐振腔之间单位长度上的耦合系数K表示为：
其中，T的表达式为：
其中λ为激光器的波长，nc为传感器的波导芯层折射率，ns为被测液体的初始折射率，L为第一个形环谐振腔(2)和第二个环形谐振腔(3)的光学长度，a和b分别为波导结构的高和宽，d为第一个形环谐振腔(2)和第二个环形谐振腔(3)的间距；
利用由于被测液体折射率的改变，引起环形谐振腔的有效折射率和两个环形腔耦合系数的改变，进而导致输出光谱发生变化，最终获得被测液体中折射率变化信息。
2.根据权利要求1所述的基于垂直耦合的双环级联光学传感器，其特征在于，所述第一个环形谐振腔(2)和第二个环形谐振腔(3)采用平面集成光波导或者光纤构成。
3.根据权利要求1所述的基于垂直耦合的双环级联光学传感器，其特征在于，所述第一个环形谐振腔(2)和第二个环形谐振腔(3)的垂直距离为100nm-1μm。
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