一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器。本發明包括寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器；且寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器自左向右依次耦合連接。光探測器為集成式MSM型硅基光電探測器，用于測量最終輸出光強；寬帶光源為外接的發光二極管所有輸入光波導均為單模傳輸平面集成光波導；微腔傳感單元為二維光子晶體微腔或一維光子晶體納米梁微腔。本發明以強度探測取代頻譜探測，避免使用光譜儀，結合平面光波導的集成化優勢及微納光腔的高靈敏度特性，實現光傳感功能。
【專利說明】一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子器件領域，具體涉及一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器。
【背景技術】
[0002]微型化、集成化、多功能化、智能化、便攜式將成為新型光學傳感器的發展趨勢，針對這些要求，基于集成光學的平面光波導的傳感器將在這一領域大有作為。當被測物理量發生變化時，它們所對應的熒光特性、諧振、吸收、拉曼散射、表面等離子體共振等特性就會發生變化，所以可以通過光學方法進行測定。基于光學原理的集成光波導傳感器由于其具有靈敏度高、響應時間短、不受電磁干擾、器件尺寸小等特點受到廣泛關注。
[0003]基于平面光波導的集成光子器件在光通信領域中的研究已經很成熟，且在實際應用中取得了突出的成果。利用目前的研究成果，把集成光子技術用于生物傳感能夠節約大量人力物力，是一個方便快捷的方法。集成光子傳感器的感應和傳遞信息的媒質是直接制作在芯片上的平面光波導結構.對于傳統的基于諧振原理的集成光子傳感器，一般是通過測量諧振波長的漂移獲得被測物理量的大小。因此，對于高靈敏度傳感應用，高分辨率(如
0.02nm)光譜儀就往往成為不可或缺的重要檢測儀器。但高分辨率光譜儀不僅價格昂貴，而且體積龐大。這極大地阻礙了光學傳感系統微型化、便攜化和低成本化。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器。以強度探測取代頻譜探測，避免使用光譜儀，結合平面光波導的集成化優勢及微納光腔的高靈敏度特性，實現光傳感功能。
[0005]本發明包括寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器；且寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器自左向右依次耦合連接。
[0006]所述的光探測器為集成式MSM型硅基光電探測器，用于測量最終輸出光強。
[0007]所述的寬帶光源為外接的發光二極管；所有輸入光波導、連接光波導、輸出光波導均為單模傳輸平面集成光波導。
[0008]所述的微腔傳感單元與待測物質直接相接觸，微腔傳感單元為二維光子晶體微腔或一維光子晶體納米梁微腔；微腔傳感單元隨其所處待測環境不同而具有不同的諧振透射峰值波長；當待測物質的濃度引起其有效折射率變化而通過倏逝波作用于微腔傳感單元導致其光學長度發生相應變化，從而進一步引起其諧振峰位置的變化；利用級聯的馬赫-曾德干涉儀型濾波器對不同波長的光能量具有不同透過率的特性，就能夠將微腔傳感單元的諧振峰的變化，轉化為從馬赫-曾德干涉儀型濾波器出射的光能量的變化。
[0009]當寬帶光源的光信號耦合入輸入光波導并經傳播進入微腔傳感單元；微腔傳感單元輸出光強光譜滿足洛倫茲線型，即:[0_ 卜V-C+M2⑴
[0011]式(I)中，T1為經過微腔傳感單元后的透射系數，A為歸一化系數，入。為諧振中心波長，A A為半極大全寬度，\為入射光波長。
[0012]所述的馬赫-曾德干涉儀型濾波器的光強透射系數T2為:
[0013]T2 = sin2 ( A Ln n / A ) (2)
[0014]式(2)中，AL為馬赫-曾德干涉儀型濾波器兩臂之間的光程差，n為波導折射率，入為入射光波長。
[0015]微腔傳感單元與馬赫-曾德干涉儀型濾波器之間通過連接光波導而形成級聯，總的透射系數T表示為:
[0016]T = T1XT2 (3)
[0017]即總的透射系數T為微腔傳感單元透射系數T1與馬赫-曾德干涉儀型濾波器透射系數T2的乘積。
[0018]本發明具有的有益效果是:
[0019]馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型平面光波導傳感器結合平面光波導的集成化優勢及微納光腔的高靈敏度特性，具有結構緊湊、制作方法簡便、方便攜帶和成本低的特點。
[0020]利用強度探測取代頻譜探測的方案，通過馬赫-曾德干涉儀濾波單元避免采用體積較大的光譜儀，從而更加凸顯了本發明便攜與成本低的優點。
[0021]與傳統的測量某一固定波長對應的功率變化的傳感器相比，本發明只需使用普通的外接LED作為寬帶光源，而不需要使用穩定的可調激光器，從而更具有工程應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明組成示意圖；
[0023]圖2(a)是一維光子晶體納米梁微腔結構俯視圖；
[0024]圖2(b)是一維光子晶體納米梁微腔傳感單元的輸出響應；
[0025]圖3是馬赫-曾德干涉儀型濾波器的輸出響應；
[0026]圖4(a)是馬赫-曾德干涉儀型濾波器與微腔傳感單元級聯后的總輸出響應；
[0027]圖4(b)是微腔諧振波長隨待測折射率環境的變化曲線。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0029]參照圖1，一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，包括寬帶光源
1、輸入光波導2、微腔傳感單元3、連接光波導4、馬赫-曾德干涉儀型濾波器5、輸出光波導
6、光探測器7。且寬帶光源1、輸入光波導2、微腔傳感單元3、連接光波導4、馬赫-曾德干涉儀型濾波器5、輸出光波導6、光探測器7自左向右依次耦合連接。
[0030]所述的光探測器為集成式MSM型硅基光電探測器，用于測量最終輸出光強。
[0031]所述的寬帶光源為外接的發光二極管；所有輸入光波導、連接光波導、輸出光波導均為單模傳輸平面集成光波導。[0032]所述的微腔傳感單元與待測物質直接相接觸，微腔傳感單元為二維光子晶體微腔或一維光子晶體納米梁微腔；微腔傳感單元隨其所處待測環境不同而具有不同的諧振透射峰值波長；當待測物質的濃度引起其有效折射率變化而通過倏逝波作用于微腔傳感單元導致其光學長度發生相應變化，從而進一步引起其諧振峰位置的變化；利用級聯的馬赫-曾德干涉儀型濾波器對不同波長的光能量具有不同透過率的特性，就能夠將微腔傳感單元的諧振峰的變化，轉化為從馬赫-曾德干涉儀型濾波器出射的光能量的變化。
[0033]當寬帶光源的光信號耦合入輸入光波導并經傳播進入微腔傳感單元；微腔傳感單元輸出光強光譜滿足洛倫茲線型，即:
[0034]
【權利要求】
1.一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于包括寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器；且寬帶光源、輸入光波導、微腔傳感單元、連接光波導、馬赫-曾德干涉儀型濾波器、輸出光波導、光探測器自左向右依次耦合連接。
2.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于所述的光探測器為集成式MSM型硅基光電探測器，用于測量最終輸出光強。
3.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于寬帶光源為外接的發光二極管；輸入光波導、連接光波導、輸出光波導均為單模傳輸平面集成光波導。
4.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于所述的微腔傳感單元與待測物質直接相接觸，微腔傳感單元為二維光子晶體微腔或一維光子晶體納米梁微腔；微腔傳感單元隨其所處待測環境不同而具有不同的諧振透射峰值波長；當待測物質的濃度引起其有效折射率變化而通過倏逝波作用于微腔傳感單元導致其光學長度發生相應變化，從而進一步引起其諧振峰位置的變化；利用級聯的馬赫-曾德干涉儀型濾波器對不同波長的光能量具有不同透過率的特性，就能夠將微腔傳感單元的諧振峰的變化，轉化為從馬赫-曾德干涉儀型濾波器出射的光能量的變化。
5.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于當寬帶光源的光信號耦合入輸入光波導并經傳播進入微腔傳感單元；微腔傳感單元輸出光強光譜滿足洛倫茲線型，即:
6.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于所述的馬赫-曾德干涉儀型濾波器的光強透射系數T2為:
T2 = sin2 ( A Ln / 入) (2) 式(2)中，AL為馬赫-曾德干涉儀型濾波器兩臂之間的光程差，n為波導折射率，入為入射光波長。
7.如權利要求1所述的一種馬赫-曾德干涉儀與微腔級聯的強度探測型傳感器，其特征在于微腔傳感單元與馬赫-曾德干涉儀型濾波器之間通過連接光波導而形成級聯，總的透射系數T表示為: T = T1XT2 (3) 即總的透射系數T為微腔傳感單元透射系數T1與馬赫-曾德干涉儀型濾波器透射系數' 的乘積。
【文檔編號】G01N21/45GK103808692SQ201410025205
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】時堯成, 劉鵬浩 申請人:浙江大學