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        新型微機(jī)電系統(tǒng)的光纖傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2016-08-11 03:33:49吳勇翀劉艷峰江西科技學(xué)院南昌330098延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院陜西延安76000
        光通信技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:傳感器

        吳勇翀,劉艷峰(.江西科技學(xué)院,南昌330098;.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,陜西 延安76000)

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        中文核心期刊

        新型微機(jī)電系統(tǒng)的光纖傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        吳勇翀1,劉艷峰2
        (1.江西科技學(xué)院,南昌330098;2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,陜西 延安716000)

        摘要:設(shè)計(jì)了一種新型的微腔加速度光纖傳感器,采用了Si基底上設(shè)計(jì)一圓柱形M IM波導(dǎo)的結(jié)構(gòu),通過檢測(cè)光纖單直波導(dǎo)輸出端口處波長(zhǎng)的漂移量,實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)。理論計(jì)算和仿真結(jié)果驗(yàn)證得到:在加速度每增加10g的情況下,輸出光譜圖約向右漂移3nm,加速度與諧振波長(zhǎng)漂移量基本呈線性關(guān)系;微納光纖傳感器的靈敏度較高,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的加速度傳感器。

        關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng);傳感器;M IM波導(dǎo);微納光纖

        0 引言

        微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)是近幾年發(fā)展起來的一種極具有活力的新技術(shù)系統(tǒng),它是由微光學(xué)、微電子和微機(jī)械相結(jié)合而得到的一種新型的微光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]。除了能夠繼承微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)成熟的制作工藝外,MOEMS能把各種MEMS結(jié)構(gòu)與微光學(xué)器件、光學(xué)諧振腔、光波導(dǎo)、半導(dǎo)體激光器和光檢測(cè)器件等完整地集成在一起[2,3]。作為航空航天、智能汽車、智能電子產(chǎn)品、機(jī)器人和高技術(shù)武器等高新技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵傳感器件之一,加速度傳感器通過檢測(cè)敏感單元材料的導(dǎo)電特性、力學(xué)特性或者溫度特性來檢測(cè)加速度的變化量[4,5]。光學(xué)微環(huán)諧振腔作為光學(xué)微腔的一個(gè)重要研究部分,自1969年由Marcatili提出以后,受到國(guó)內(nèi)外眾多科研人士的關(guān)注[6,7]。本文基于這一背景,設(shè)計(jì)了一種新型的微腔加速度光纖傳感器。

        1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和理論分析

        1.1波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        圖1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

        本文設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示,新型光纖波導(dǎo)加速度傳感器原理如下:在Si基底上層設(shè)有一圓柱形MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu),MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的銀-二氧化硅-銀對(duì)稱波導(dǎo),基底上連接有單直微納光纖波導(dǎo),入射光由光纖單直波導(dǎo)輸入,通過倏逝波不斷耦合到MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)波導(dǎo)施加加速度時(shí),由于彈光效應(yīng)MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率發(fā)生變化,產(chǎn)生的倏逝波傳播也發(fā)生變化,這樣就會(huì)導(dǎo)致MIM波導(dǎo)間諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移,從而使得光纖單直波導(dǎo)輸出端的光強(qiáng)度發(fā)生改變,通過檢測(cè)光纖單直波導(dǎo)輸出端口處波長(zhǎng)的漂移量,實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下:Si基底的長(zhǎng)為1200nm、寬為800nm、厚度為200nm,光纖單直波導(dǎo)長(zhǎng)為1200nm、直徑為80nm、對(duì)稱銀膜厚度為400nm,二氧化硅膜層厚度為500nm。傳感器能夠通過調(diào)節(jié)MIM波導(dǎo)的幾何參數(shù),實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)傳輸特性,通過波長(zhǎng)變化實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。

        1.2諧振腔的加速度傳感

        圖2 微納光纖環(huán)形諧振腔的理論模型

        微納光纖環(huán)的理論模型如圖2所示,微納光纖環(huán)形諧振腔由一個(gè)半徑為r的環(huán)形腔與一根直微納光纖組合而成。該結(jié)構(gòu)中光的傳輸過程可以簡(jiǎn)單地描述為:光從入射端輸入,經(jīng)過直微納光纖與環(huán)形腔的交疊處(即耦合區(qū))時(shí),一部分光會(huì)因?yàn)橹蔽⒓{光纖與環(huán)形腔兩者之間倏逝波的存在而發(fā)生耦合,耦合進(jìn)入環(huán)形腔的光在滿足諧振條件時(shí)在環(huán)形腔內(nèi)發(fā)生諧振,光在環(huán)形腔中傳播一周后,再次從耦合區(qū)的環(huán)形腔耦合到直微納光纖,繼而從Output端口輸出;另一部分沒有耦合進(jìn)入環(huán)形腔的光則直接從直波導(dǎo)的輸出端口Output端輸出。

        圖2中,Input端口輸入光的光場(chǎng)為E1,Output端口的輸出光場(chǎng)為E2,在耦合區(qū)域,直微納光纖與環(huán)形腔之間的互耦合系數(shù)為k,自耦合系數(shù)為t,在耦合區(qū)兩側(cè)環(huán)形腔中的光場(chǎng)分別為E3、E4,互耦合系數(shù)為k與自耦合系數(shù)為t之間滿足k2+t2=1。微納光纖環(huán)形諧振腔各光場(chǎng)之間的關(guān)系可以通過以下的矩陣進(jìn)行描述:

        其中:τ為光在環(huán)形腔中傳播一周的振幅衰減因子,p為光在環(huán)形腔中傳播一周經(jīng)歷的相位因子。當(dāng)在環(huán)形諧振腔中的光滿足諧振條件時(shí),即光在環(huán)形腔中的相位變化φ=2mπ時(shí),則有:

        若t=τ,則有單直波導(dǎo)輸出端的出處光場(chǎng)為零,即輸入光光波一部分耦合進(jìn)入環(huán)形諧振腔中,另一部分被完全消耗掉,這種情況稱為臨界耦合。根據(jù)微納光纖環(huán)形諧振腔的理論,諧振腔中各個(gè)光場(chǎng)可以通過傳數(shù)矩陣的形式描述:

        其中,βr為傳播常數(shù),Ei和E0分別為單直波導(dǎo)的輸入端口和輸出端口的光場(chǎng)強(qiáng)度,Er1和Er2分別為耦合區(qū)諧振腔側(cè)的光場(chǎng)強(qiáng)度,Leff為諧振腔耦合區(qū)的有效耦合長(zhǎng)度,tr和kr分別為振幅衰減因子和自耦合系數(shù)。并且有:

        其中,m為質(zhì)量塊的質(zhì)量,a為外界加速度大小,L1為質(zhì)量塊到固定端的距離,b為固定端的寬度,h為固定端的厚度。我們將由微納光纖構(gòu)成的一根單直微納光纖和微環(huán)諧振腔共同作為傳感元件,光從輸入端輸入時(shí),經(jīng)過直波導(dǎo)傳輸,在直波導(dǎo)和諧振腔會(huì)發(fā)生耦合,同時(shí)耦合進(jìn)入諧振腔的光會(huì)在腔內(nèi)諧振,通過在輸出端口檢測(cè)諧振波長(zhǎng)漂移量以及同一波長(zhǎng)的輸出強(qiáng)度變化量實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)。光纖波導(dǎo)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明波導(dǎo)耦合系數(shù)較大,促進(jìn)了MIM波導(dǎo)間沿著波導(dǎo)面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娌?,部分的表面波被反射回了縫隙腔體內(nèi),結(jié)果表明光纖能夠很好地實(shí)現(xiàn)光波傳播。

        圖3 光纖波導(dǎo)測(cè)試結(jié)果

        2 加速度傳感結(jié)果分析

        2.1波長(zhǎng)漂移法

        圖4 不同加速度下的輸出光譜圖

        根據(jù)理論分析通過檢測(cè)輸出端口諧振波長(zhǎng)的漂移量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的探測(cè),該方法可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和較大范圍的檢測(cè)。圖4給出了加速度值在0~50g范圍內(nèi),加速度每增加10g時(shí)的傳感器輸出光譜圖。從圖中可以看出輸出光譜圖的光譜強(qiáng)度和3dB帶寬基本沒有變化,Q值可達(dá)104,只有諧振波長(zhǎng)向右邊發(fā)生了移動(dòng)。為了更清楚地看出在逐漸增加加速度時(shí),輸出光譜圖中諧振波長(zhǎng)的漂移量,在加速度每增加10g的情況下,輸出光譜圖約向右漂移3nm,最終,我們可以通過諧振波長(zhǎng)的漂移量來實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。圖5為諧振波長(zhǎng)與加速度的關(guān)系曲線圖,加速度與諧振波長(zhǎng)漂移量基本呈線性關(guān)系。

        圖5 諧振波長(zhǎng)與加速度之間關(guān)系圖

        表1、圖6給出了加速度與諧振波長(zhǎng)及諧振波長(zhǎng)漂移量的關(guān)系,從圖表中可以擬合得到傳感系數(shù)約為2×10-4,計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步得出傳感器的靈敏度較高,能夠較好地實(shí)現(xiàn)加速度傳感器作用。

        表1 加速度與諧振波長(zhǎng)及諧振波長(zhǎng)漂移量的關(guān)系

        圖6 加速度與諧振波長(zhǎng)的擬合曲線

        2.2強(qiáng)度測(cè)量法

        本文通過MATLAB仿真軟件以及前面的理論研究對(duì)基于測(cè)量光強(qiáng)度的加速度傳感器的相關(guān)特性進(jìn)行分析。這里所有的相關(guān)參數(shù)均與波長(zhǎng)漂移法的參數(shù)一致。通過仿真,我們得出了在波長(zhǎng)為1500nm,加速度從1g變化時(shí),加速度變化與輸出端的歸一化輸出強(qiáng)度的關(guān)系圖,如圖7所示。

        從圖中可以看出,加速度范圍在0~0.5g時(shí),加速度與輸出強(qiáng)度基本呈線性關(guān)系,當(dāng)加速度0.5g時(shí),歸一化輸出強(qiáng)度為0.5349。通過計(jì)算,我們可以得到傳感器的靈敏度約為1.0698/g,探測(cè)極限為2.8×10-3。

        圖7 加速度與歸一化輸出強(qiáng)度的關(guān)系

        3 結(jié)束語

        集成化和微型化是現(xiàn)今光子器件的主要發(fā)展方向。微納光纖是一種微觀尺度的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),與普通光纖相比,微納光纖的相對(duì)折射率差值很大,對(duì)光的束縛能力很強(qiáng),且由微納光纖制作而成的環(huán)形諧振腔相比較于普通光纖,其尺寸更小,損耗更低,品質(zhì)因素更高,這些特點(diǎn)都有助于提高由微納光纖環(huán)制作而成的傳感器的靈敏度。本文設(shè)計(jì)的采用微納光纖的新型加速度傳感器,理論分析了微納光纖諧振腔傳輸及波長(zhǎng)與加速度間的關(guān)系。結(jié)果表明:微環(huán)諧振腔波動(dòng)明顯,耦合效率較好;加速度與諧振波長(zhǎng)漂移量基本呈線性關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?;哂幸欢ǖ膮⒖純r(jià)值。

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        中圖分類號(hào):O23

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1002-5561(2016)06-0047-03

        DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.014

        收稿日期:2016-01-19。

        基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(61379026)資助;陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(工業(yè)攻關(guān))(2014K05-61)資助;陜西省教育廳2011年科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃(11JK0915)資助;陜西省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(物理學(xué)2012SXTS05)資助;延安大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)精品課程(YDJPKC11-21)資助。

        作者簡(jiǎn)介:吳勇翀(1980-),男,碩士,講師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。

        New MEMS optical fiber sensor design and application

        WU Yong-chong1,LIU Yan-feng2
        (1.Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,china;2.Yanan university physics and electronic information institute,Yanan Shaanxi 716000,China)

        Abstract:The paper designs a new type of optical microcavity acceleration sensors,the Si substrate design a cylindrical MIM waveguide structure,and the basal connected with single straight micro-nano optical fiber waveguide.Every increase of 10g acceleration,and the output spectra drift to the right about 3nm,acceleration and resonant wavelength drift quantity basic linear relationship,Micro-nano optical fiber sensor sensitivity is higher,it can achieve better acceleration sensor.

        Key words:microelectronics mechanical systems,sensor,MIM waveguide,Micro-nano optical fiber

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