[发明专利]基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法

说明书

一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法，出射频谱拥有与单波导耦合到微环谐振腔类似的频谱，该传输谱是传输谷值具有周期性分布的频谱；将被测物质覆盖在光探测臂波导的上表面，光从输入波导的一端入射，与微环谐振腔发生耦合，则一部分耦合进入微环谐振腔；另一部分从输入波导的另一端出射并经过光探测臂进入输出波导，这部分中一部分光由于输出波导与微谐振腔之间的耦合作用，再次耦合进入微谐振腔，而这部分中一部分光与微环谐振腔中耦合出的一部分光相干涉后从输出波导另一端出射；通过测试谐振波长处传输强度的变化即可实现高灵敏度传感。本发明在保持极高灵敏度的前提下避免要求很高精度的频率定位、降低测试系统成本。

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，尤其是一种基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法。

背景技术

近年来，低成本、高灵敏度的超小型传感器的需求不断增长，尤其是在生化制剂和有毒气体等物质检测方面。针对这种需求，工业界和学术界已经提出和制作了许多类型的传感器，其中光学传感器以其极小的尺寸和极高的灵敏度在众多类型传感器中备受关注。许多光学现象如，吸收、荧光、辐射和折射等，以及许多光学介质结构，如光纤、光子晶体、微环谐振腔，表面等离子体和光栅等，都被应用来开拓新型传感机制以获得较好的传感效果。基于微环谐振腔的光学传感器具有尺寸小，灵敏度高以及与CMOS工艺兼容易于集成等优点，被广泛应用于光学传感领域，当光波导有效折射率随着目标物质而变化时，微谐振腔的谐振波长发生漂移，因此通过测试此波长漂移即可测得目标物质的浓度变化(文献1，Mario,La.Notte,Benedetto Troia,Tommaso Muciaccia,Calo Edoardo Campanella,Francesco De Leonardis and Vittoro M.N.Passaro,“Recent advances in gas andchemical detection by vernier effect-based photonic sensors”,Sensors,V.14(3),4831-4855(2014)，即Mario,La.Notte,Benedetto Troia,Tommaso Muciaccia,CaloEdoardo Campanella,Francesco De Leonardis and Vittoro M.N.Passaro,“基于游标效应的光传感器在气体和化学探测中的研究进展”，传感器,V.14(3),4831-4855(2014))。然而，基于微环谐振腔的光学传感器仍然存在着一些限制其进一步发展应用的缺点。对于基于微环谐振腔的光学传感器，高的灵敏度需要一个尖锐的谐振谱，其探测极限取决于微环谐振腔的Q因子。这就要求器件的传输损耗低，从而提高了对器件制作工艺的要求。随后科研人员提出了基于游标效应的光学传感器，以期获得高的灵敏度和低的探测极限。事实上，基于游标效应灵敏度的提高仅仅来源于游标刻度的读出方法，其物理本征灵敏度并未得到丝毫的提高。Dai等提出了一种基于马赫-增德干涉耦合的微环谐振腔，通过测量共振波长的移动，能够以较高灵敏度探测到大约10^-6～10^-5有效折射率变化。但是在测量折射率变化值为10^-6时，波长移动量仅仅为0.35pm,需要代价高昂的探测系统(专利1，ZL200810060460.8)。在专利(专利1，ZL 200810060460.8)中，也提出了在某一固定波长测量传输功率的办法来测量折射率的变化，但实际上由于法诺(Fano)效应产生的频谱过宽，在实际中存在诸多问题，比如其测量范围有限，测量线性度很差。因此，在保持高探测精度的前提下，必须探索新的传感机制以有效降低系统的探测代价，例如用强度探测代替原来的波长测量。

发明内容

为了克服已有自干涉型微谐振腔光传感器探测方法的保持高灵敏度时要求很高精度的频率定位、测试系统成本较高的不足，本发明提供一种在保持极高灵敏度的前提下避免要求很高精度的频率定位、降低测试系统成本的基于自干涉型微谐振腔光传感器的高灵敏度强度探测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：