[发明专利]一种基于游标效应的级连环形腔光波导传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光波导传感器，尤其是涉及一种基于游标效应的级连环形腔光波导传感器。

背景技术

生物化学传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应用。

各种光波导传感器都是根据倏逝波增强技术原理提出的。倏逝场与包层物质发生作用，包层物质变化时，引起波导模式折射率的变化。图1给出了基于单个环形谐振腔的光波导传感器结构示意图。环形谐振腔因其具有尖锐的谐振峰，可以实现高灵敏度。环形谐振腔波导的上包层均为被测物质，使用谐振波长的偏移来测量被测物质折射率的变化时，其灵敏度由dn_eff＝n_effdl/l决定。dl受到探测仪器的限制，在1550nm附近区域，其精确度为0.01nm，相应的探测灵敏度，dn_eff为2×10^-5。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于游标效应的级连环形腔光波导传感器，使用双谐振腔，通过游标效应将峰的偏移转换为相邻两峰的能量变化，得到了更高的灵敏度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

技术方案一：

本发明包括输入波导、与输入波导相耦合的传感环形谐振腔、与传感环形谐振腔相耦合的连接波导，与连接波导相耦合的参照环形谐振腔，与参照谐振腔相耦合的输出波导，所述传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。

所述所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过方向耦合器实现。

所述所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过各自的多模干涉耦合器实现。

技术方案二：

本发明包括输入波导、与输入波导相耦合的传感环形谐振腔、与传感环形谐振腔相耦合的参照环形谐振腔，与参照谐振腔相耦合的输出波导，所述传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。

所述所有波导与环形谐振腔之间的耦合以及传感环形谐振腔与参照环形谐振腔之间的耦合通过方向耦合器实现。

所述所有波导与环形谐振腔之间的耦合以及传感环形谐振腔与参照环形谐振腔之间的耦合通过多模干涉耦合器实现。

技术方案三：

本发明包括输入输出波导、与输入输出波导相耦合的传感环形谐振腔、与输入输出波导相耦合的参照环形谐振腔，所述传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔中至少有一部分波导的上包层与被测物质接触。

所述输入输出波导与所有环形谐振腔之间的耦合通过方向耦合器实现。

所述输入输出波导与所有环形谐振腔之间的耦合通过各自的多模干涉耦合器实现。

本发明具有的有益效果是：

通过使用不同腔长的两个环形谐振腔，使得双谐振谱叠加产生游标效应，将传感环形腔谐振谱的移动转变为总谐振谱的移动，并得到放大。再将总谐振谱的移动转换为相邻两个谐振峰功率比值的变化，增加了灵敏度，物质折射率变化可探测最小量达1.3×10^-7。

附图说明

图1为背景技术中基于单个环形谐振腔的光波导传感器示意图。

图2为本发明第一种实施方式结构示意图

图3为本发明第一种实施方式透射谱示意图。

图4为本发明第一种实施方式透射谱峰能量变化图。

图5为非传感区与传感区波导横截面示意图。

图6为本发明第一种实施方式给出的实例的透射谱峰能量及比值变化图。

图7为本发明第二种实施方式结构示意图。

图8为本发明第三种实施方式结构示意图。

图9为本发明第四种实施方式结构示意图。

图10为本发明第五种实施方式结构示意图。

图11给出了第五个实施方式传感环形谐振腔10，参照环形谐振腔20各自的直通透射谱以及总的透射谱。