采用拍頻檢測的內嵌型微環傳感器研究*

洪 瑋,陳 錢,顧國華

(1.南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094;2.南京理工大學近程高速目標探測技術國防重點學科實驗室,南京 210094)

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采用拍頻檢測的內嵌型微環傳感器研究*

洪 瑋1,2*,陳 錢1,顧國華1

(1.南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094;2.南京理工大學近程高速目標探測技術國防重點學科實驗室,南京 210094)

提出了一種內嵌型微環傳感結構。利用內嵌型結構產生的高Q值濾波峰,采用拍頻檢測技術,可以實現高靈敏度傳感器。采用傳輸矩陣法分析了內嵌微環半徑對濾波峰位置及相鄰濾波峰之間關系的影響。內嵌微環的濾波峰產生了分裂,其波長間距很小,且隨折射率變化波長間距也會變化。利用該器件構建了拍頻檢測系統,并對該器件進行傳感分析。仿真結果表明,該結構的傳感靈敏度為1×10-4折射率單位(RIU),其頻率偏移為4 MHz/1×10-4RIU。

微環;傳輸矩陣法;拍頻傳感

傳感器在當代國民經濟、改善人類生活和國防建設中有著十分重要的作用。相比于傳統電傳感器,光學傳感器在靈敏度和抗干擾性方面具有顯著的優勢。采用平面波導制作而成的傳感器具有尺寸小、成本低、易于集成和進行表面處理等優點。其中基于微環結構的傳感器靈敏度高、制作相對簡單,且可實現無標記探測[1],是實現新型光學傳感器的重要結構。微環傳感器的應用范圍非常廣泛,如位移傳感器、加速度傳感器[2]、聲納傳感器[3-4],及近幾年來最為熱門的研究領域如生化傳感器等。微環傳感器可以作為生物和化學傳感器應用于病毒、藥品、食品和環境檢測[5-6]。

Ghent大學的Roel Baets等人制作了室溫下的乙醇蒸汽微環傳感器[7]。通過微環上覆蓋的氧化鋅納米薄膜,吸收乙醇蒸汽而導致折射率的改變,因而可以檢測乙醇蒸汽的濃度。Michigan大學的Chung-Yen Chao和L.Jay Guo等人引入了表面檢測傳感機制制作了基于微環的生物傳感器[11],這種方法既有特殊性又是無標簽檢測。由于在波導邊界有較大的漸逝場來探測分析物,這種方法也有更高的敏感度。中科院半導體所研究了雙環結構微環在傳感上的應用[8],這種結構將微環Q值提高至107,使得傳感器的靈敏度得到極大的改善。

進一步的提高微環傳感器的靈敏度,實現精確有效的探測,是微環傳感器的主要研究方向。分析物使得微環傳感器諧振波長發生偏移,傳統的檢測方法檢測波長偏移,從而得到折射率的變化,這種方法必須對波長進行定標,從而造成檢測成本高昂。若能將光頻問題轉化至微波頻率,就可以利用電域成熟的檢測技術,這將大大減低檢測的復雜度和系統成本。拍頻技術可以將光頻問題轉化到微波或更低頻段進行處理。光拍頻技術在THz波產生[9-10],ROF毫米波產生[11]以及光學傳感中有著廣泛的應用。在現有的光學傳感解調技術中,拍頻解調技術是非常簡單、成本很低且性能穩定的一種解調方案,因此它是最有前途的解調技術之一。這個技術提供了一個簡單的信號處理方法,根據這種技術,大量的拍頻光傳感器被應用到水聲、超聲、荷載等物理信息的測量。目前,在光傳感領域中,拍頻技術主要用于光纖陀螺[12]和基于正交偏振雙頻激光[13-14]的有源光纖傳感中。

本文提出了一種內嵌型微環傳感器,利用內嵌型微環濾波產生的相鄰波長進行拍頻檢測,拍頻信號的頻率隨著微環折射率改變而發生變化。實現了利用拍頻技術進行光傳感檢測。采用傳輸矩陣法分析了內嵌型微環結構,給出了采用拍頻檢測的實現

方案,并分析了該系統的傳感靈敏度。

1 理論模型

圖1給出了本文提出的內嵌型微環結構。在傳統微環結構的基礎上,在微環內部增加了兩個相同的小半徑微環,稱之為內嵌微環;原有的大半徑微環,稱之為外部微環。

圖1 有兩個內嵌微環的內嵌型微環結構

由于微環結構具有偏振敏感性,本文考慮TE模式傳輸情況。利用傳輸矩陣法可以分析該結構的傳輸譜[15、16],下路端和輸出端的光功率可以表示為:

(1)

(2)

在圖1和式(1)中,a,b,c,d分別代表了輸入波導、外部微環、內嵌微環以及下路波導處的電磁場強度;τ是傳輸系數;κ是耦合系數。記αi為波導的損耗系數(對于無損情況,αi=0),ω是角頻率,L1是外部微環的傳輸長度,L2和L3分別代表了內嵌微環1和內嵌微環2的傳輸長度。l1,l2,l3和l4是耦合區的傳輸長度且L1=l1+l2+l3+l4。T1,T2,T3分別是外部微環、內嵌微環1和內嵌微環2的傳輸時間。式(1)中A及W為:

Wj=exp(jωTj) (j=1,2,3)

(3)

Aj=exp(-αjLj) (j=1,2,3)

(4)

其中,Aj就代表了波導傳輸損耗。

2 仿真結果與分析

2.1 內嵌微環結構分析

為了增加傳感靈敏度,微環諧振腔的Q值應盡量高,同時所選材料應盡可能的利用微電子工藝。硅上絕緣硅(SOI)無疑是最佳的選擇材料。本文采用波導結構為硅層厚度340 nm,1 μm的SiO2絕緣層,波導脊高230 nm,波導寬500 nm。外部微環的半徑為10 μm,內嵌微環的半徑均為4 μm。采用3-D矢量耦合模理論[17]計算其有效折射率。對于本文,脊波導的有效折射率為2.513 4,外部微環的有效折射率為2.475 9,內嵌微環的有效折射率為2.373 5。圖2給出了在無損情況下,內嵌微環結構及傳統微環結構的下路端頻譜比較。可見,采用本文結構,將會在產生分裂峰現象,將傳統微環的濾波峰分裂為相鄰的兩個濾波峰,兩個濾波峰具有很高的Q值,且諧振波長相近。

圖2 下路端譜線:本文結構(2內嵌微環,半徑2μm,外環半徑10μm)(黑色實線);4μm 半徑傳統微環結構(紅色虛線)

考慮微環半徑對濾波峰位置極其FWHM的影響,在外部微環半徑為10 μm時,本文仿真了內嵌微環為3 μm、2.5 μm及2 μm的情況。仿真結果如表1所示。分裂峰之間的波長間距分別為91.298 6 pm、107.7 pm以及178.1 pm。可見隨著內嵌微環半徑的減小,分裂峰之間的間距在增大。且隨著內嵌微環半徑的減小,左側(與傳統結構的濾波峰相比,濾波峰波長變小的一側)諧振峰位置越來越接近傳統結構諧振峰,而右側(與傳統結構的濾波峰相比,濾波峰波長變大的一側)諧振峰位置越來越遠離傳統結構諧振峰,且這兩個分裂峰之間的波長間距也在增大。可見,采用較小的內嵌環半徑將有利于清晰辨識分裂峰值。基于此,本文選取2 μm半徑的內嵌微環結構進行后續的仿真工作。

表1 不同半徑的內嵌微環諧振峰與傳統結構相比,出現的分裂諧振峰值情況

2.2 采用拍頻檢測的內嵌微環傳感器性能分析

由以上分析可知,采用內嵌微環結構,將會產生兩個相鄰的濾波峰。該性能十分有利于采用拍頻技術進行檢測。圖3給出了利用拍頻技術進行檢測的內嵌微環傳感器系統圖,如圖4所示。與傳統系統要求采用價格昂貴的窄帶激光器相比,本系統可以采用寬帶光源(LED)。LED光源經過內嵌微環結構后,將會同時產生兩個相鄰分裂峰。這兩個相鄰的分裂峰由光接收機接受后,將會進行外差拍頻,產生一個新的微波信號。

圖3 利用拍頻技術進行檢測的內嵌微環傳感器系統圖

將微環傳感器放在溶液中,溶液為微環結構的外包層,當液體濃度變化時將會引起折射率的變化,即微環結構外包層折射率變化。此時,檢測微波信號頻率的變化,就可以知道折射率變化情況,即溶液濃度的變化情況。

采用本文提出的結構,其中外部微環半徑10 μm,內部微環半徑4 μm,耦合系數ki=0.5,波導損耗系數Ai=0.99。沒有外部擾動的時候,拍頻產生的信號是9.949 GHz。當改變外部溶液的濃度時,溶液折射率發生變化,對應的微環有效折射率也發生變化。因此,此處計算有效折射率變化導致的頻率變化,如圖4所示。可見,隨著有效折射率的變化,當有效折射率變化幅度為1×10-4RIU時,頻率偏移基本是線性關系。從圖4(a)中可以看出當有效折射率變化增大1×10-4RIU時,左右兩側的諧振峰對應波長均變大,但兩諧振峰波長間距減小0.03 pm,其對應的頻率偏移為4 MHz,如圖4(b)所示。

圖4 折射率變化1×10-4 RIU時

圖5 折射率變化1×10-5 RIU時,分裂的兩個諧振峰拍頻對應的頻率變化

圖5給出了當有效折射率變化幅度為1×10-5RIU時頻率與有效折射率變化的關系,頻率偏移整體不再保持線性變化,局部呈現線性變化規律。因此,可以認為本系統的靈敏度為1×10-4RIU,這相比已有文獻,也是一個較高的靈敏度。[18]

3 結論

本文提出了一種內嵌雙微環結構。采用傳輸矩陣法進行了理論分析,結果表明,由于引入了內嵌雙微環結構,相對傳統結構而言,產生了相鄰的兩個分裂諧振峰。這兩個諧振峰具有窄FWHM,高Q值的特性,且諧振峰波長間距較小。利用該特性,設計了采用拍頻技術的內嵌微環傳感器。該系統利用拍頻技術,將光頻檢測轉化為微波信號檢測,降低了檢測難度,提高了系統靈敏度。對該微環傳感器在有損情況下的分析表明,在適當的耦合系數下,其傳感靈敏度可以達到1×10-4RIU,對應的頻率偏移為4 MHz/RIU。后續將著重分析小耦合系數下,分裂諧振峰能量通過率相差較大時對拍頻性能的影響,進一步提高系統靈敏度。

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洪瑋(1980-),女,博士,南京理工大學電子工程與光電技術學院講師,主要研究方向為光電子學器件等,hongwei@njust.edu.cn;

陳錢(1964-),男,南京理工大學電子工程與光電技術學院 教授、博士、博士生導師。學術任職兼任國際光學工程學會(SPIE)會員、國際信息顯示學會(SID)會員、中國青年科協委員、總裝備部XX專家組成員、國際科工委XX委員會委員、中國光學學會光電技術專業委員會常委、中國兵工學會光電子專業委員會委員、中國兵工學會理事、江蘇省激光與光學工程學會理事和江蘇省光電技術專業委員會副主任委員。

NestedMicroringResonatorSensorUsingBeatFrequencyDetection

HongWei1,2*,ChenQian1,GuGuoHua1

(1.School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Ministerial Key Laboratory of JGMT,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

A nested microring resonator is presented and its application for beat frequency sensing is demonstrated. The theoretical analysis of this structure has been obtained by transfer matrix method. By changing bending radius of the inner ring,the relations between it and resonance wavelength spacing have been theoretically analyzed. The simulation results show that the resonator frequency of inner microring splits to two peaks and the frequency interval of this two peaks is very narrow which show this structure can be used as a sensor detector in beat frequency sensing system. Therefore,by changing the refractive index,the output spectrum response is analyzed in optical and microwave regime. For this beat frequency system,the sensitivity is 1×10-4refractive index unit(RIU)and the frequency shift is 4 MHz/1×10-4RIU.

microring resonator;transfer matrix method;beat frequency sensing

項目來源:江蘇省自然基金項目(BK20140799);中央高校基本科研業務費專項資金資助(30920140122005)

2014-10-10修改日期:2014-10-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.007

TN256

:A

:1004-1699(2014)11-1482-04