采用拍频检测的内嵌型微环传感器研究*

洪 玮,陈 钱,顾国华

(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京 210094;2.南京理工大学近程高速目标探测技术国防重点学科实验室,南京 210094)



采用拍频检测的内嵌型微环传感器研究*

洪 玮1,2*,陈 钱1,顾国华1

(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京 210094;2.南京理工大学近程高速目标探测技术国防重点学科实验室,南京 210094)

提出了一种内嵌型微环传感结构。利用内嵌型结构产生的高Q值滤波峰,采用拍频检测技术,可以实现高灵敏度传感器。采用传输矩阵法分析了内嵌微环半径对滤波峰位置及相邻滤波峰之间关系的影响。内嵌微环的滤波峰产生了分裂,其波长间距很小,且随折射率变化波长间距也会变化。利用该器件构建了拍频检测系统,并对该器件进行传感分析。仿真结果表明,该结构的传感灵敏度为1×10-4折射率单位(RIU),其频率偏移为4 MHz/1×10-4RIU。

微环;传输矩阵法;拍频传感

传感器在当代国民经济、改善人类生活和国防建设中有着十分重要的作用。相比于传统电传感器,光学传感器在灵敏度和抗干扰性方面具有显著的优势。采用平面波导制作而成的传感器具有尺寸小、成本低、易于集成和进行表面处理等优点。其中基于微环结构的传感器灵敏度高、制作相对简单,且可实现无标记探测[1],是实现新型光学传感器的重要结构。微环传感器的应用范围非常广泛,如位移传感器、加速度传感器[2]、声纳传感器[3-4],及近几年来最为热门的研究领域如生化传感器等。微环传感器可以作为生物和化学传感器应用于病毒、药品、食品和环境检测[5-6]。

Ghent大学的Roel Baets等人制作了室温下的乙醇蒸汽微环传感器[7]。通过微环上覆盖的氧化锌纳米薄膜,吸收乙醇蒸汽而导致折射率的改变,因而可以检测乙醇蒸汽的浓度。Michigan大学的Chung-Yen Chao和L.Jay Guo等人引入了表面检测传感机制制作了基于微环的生物传感器[11],这种方法既有特殊性又是无标签检测。由于在波导边界有较大的渐逝场来探测分析物,这种方法也有更高的敏感度。中科院半导体所研究了双环结构微环在传感上的应用[8],这种结构将微环Q值提高至107,使得传感器的灵敏度得到极大的改善。

进一步的提高微环传感器的灵敏度,实现精确有效的探测,是微环传感器的主要研究方向。分析物使得微环传感器谐振波长发生偏移,传统的检测方法检测波长偏移,从而得到折射率的变化,这种方法必须对波长进行定标,从而造成检测成本高昂。若能将光频问题转化至微波频率,就可以利用电域成熟的检测技术,这将大大减低检测的复杂度和系统成本。拍频技术可以将光频问题转化到微波或更低频段进行处理。光拍频技术在THz波产生[9-10],ROF毫米波产生[11]以及光学传感中有着广泛的应用。在现有的光学传感解调技术中,拍频解调技术是非常简单、成本很低且性能稳定的一种解调方案,因此它是最有前途的解调技术之一。这个技术提供了一个简单的信号处理方法,根据这种技术,大量的拍频光传感器被应用到水声、超声、荷载等物理信息的测量。目前,在光传感领域中,拍频技术主要用于光纤陀螺[12]和基于正交偏振双频激光[13-14]的有源光纤传感中。

本文提出了一种内嵌型微环传感器,利用内嵌型微环滤波产生的相邻波长进行拍频检测,拍频信号的频率随着微环折射率改变而发生变化。实现了利用拍频技术进行光传感检测。采用传输矩阵法分析了内嵌型微环结构,给出了采用拍频检测的实现

方案,并分析了该系统的传感灵敏度。

1 理论模型

图1给出了本文提出的内嵌型微环结构。在传统微环结构的基础上,在微环内部增加了两个相同的小半径微环,称之为内嵌微环;原有的大半径微环,称之为外部微环。

图1 有两个内嵌微环的内嵌型微环结构

由于微环结构具有偏振敏感性,本文考虑TE模式传输情况。利用传输矩阵法可以分析该结构的传输谱[15、16],下路端和输出端的光功率可以表示为:

(1)

(2)

在图1和式(1)中,a,b,c,d分别代表了输入波导、外部微环、内嵌微环以及下路波导处的电磁场强度;τ是传输系数;κ是耦合系数。记αi为波导的损耗系数(对于无损情况,αi=0),ω是角频率,L1是外部微环的传输长度,L2和L3分别代表了内嵌微环1和内嵌微环2的传输长度。l1,l2,l3和l4是耦合区的传输长度且L1=l1+l2+l3+l4。T1,T2,T3分别是外部微环、内嵌微环1和内嵌微环2的传输时间。式(1)中A及W为:

Wj=exp(jωTj) (j=1,2,3)

(3)

Aj=exp(-αjLj) (j=1,2,3)

(4)

其中,Aj就代表了波导传输损耗。

2 仿真结果与分析

2.1 内嵌微环结构分析

为了增加传感灵敏度,微环谐振腔的Q值应尽量高,同时所选材料应尽可能的利用微电子工艺。硅上绝缘硅(SOI)无疑是最佳的选择材料。本文采用波导结构为硅层厚度340 nm,1 μm的SiO2绝缘层,波导脊高230 nm,波导宽500 nm。外部微环的半径为10 μm,内嵌微环的半径均为4 μm。采用3-D矢量耦合模理论[17]计算其有效折射率。对于本文,脊波导的有效折射率为2.513 4,外部微环的有效折射率为2.475 9,内嵌微环的有效折射率为2.373 5。图2给出了在无损情况下,内嵌微环结构及传统微环结构的下路端频谱比较。可见,采用本文结构,将会在产生分裂峰现象,将传统微环的滤波峰分裂为相邻的两个滤波峰,两个滤波峰具有很高的Q值,且谐振波长相近。

图2 下路端谱线:本文结构(2内嵌微环,半径2μm,外环半径10μm)(黑色实线);4μm 半径传统微环结构(红色虚线)

考虑微环半径对滤波峰位置极其FWHM的影响,在外部微环半径为10 μm时,本文仿真了内嵌微环为3 μm、2.5 μm及2 μm的情况。仿真结果如表1所示。分裂峰之间的波长间距分别为91.298 6 pm、107.7 pm以及178.1 pm。可见随着内嵌微环半径的减小,分裂峰之间的间距在增大。且随着内嵌微环半径的减小,左侧(与传统结构的滤波峰相比,滤波峰波长变小的一侧)谐振峰位置越来越接近传统结构谐振峰,而右侧(与传统结构的滤波峰相比,滤波峰波长变大的一侧)谐振峰位置越来越远离传统结构谐振峰,且这两个分裂峰之间的波长间距也在增大。可见,采用较小的内嵌环半径将有利于清晰辨识分裂峰值。基于此,本文选取2 μm半径的内嵌微环结构进行后续的仿真工作。

表1 不同半径的内嵌微环谐振峰与传统结构相比,出现的分裂谐振峰值情况

2.2 采用拍频检测的内嵌微环传感器性能分析

由以上分析可知,采用内嵌微环结构,将会产生两个相邻的滤波峰。该性能十分有利于采用拍频技术进行检测。图3给出了利用拍频技术进行检测的内嵌微环传感器系统图,如图4所示。与传统系统要求采用价格昂贵的窄带激光器相比,本系统可以采用宽带光源(LED)。LED光源经过内嵌微环结构后,将会同时产生两个相邻分裂峰。这两个相邻的分裂峰由光接收机接受后,将会进行外差拍频,产生一个新的微波信号。

图3 利用拍频技术进行检测的内嵌微环传感器系统图

将微环传感器放在溶液中,溶液为微环结构的外包层,当液体浓度变化时将会引起折射率的变化,即微环结构外包层折射率变化。此时,检测微波信号频率的变化,就可以知道折射率变化情况,即溶液浓度的变化情况。

采用本文提出的结构,其中外部微环半径10 μm,内部微环半径4 μm,耦合系数ki=0.5,波导损耗系数Ai=0.99。没有外部扰动的时候,拍频产生的信号是9.949 GHz。当改变外部溶液的浓度时,溶液折射率发生变化,对应的微环有效折射率也发生变化。因此,此处计算有效折射率变化导致的频率变化,如图4所示。可见,随着有效折射率的变化,当有效折射率变化幅度为1×10-4RIU时,频率偏移基本是线性关系。从图4(a)中可以看出当有效折射率变化增大1×10-4RIU时,左右两侧的谐振峰对应波长均变大,但两谐振峰波长间距减小0.03 pm,其对应的频率偏移为4 MHz,如图4(b)所示。

图4 折射率变化1×10-4 RIU时

图5 折射率变化1×10-5 RIU时,分裂的两个谐振峰拍频对应的频率变化

图5给出了当有效折射率变化幅度为1×10-5RIU时频率与有效折射率变化的关系,频率偏移整体不再保持线性变化,局部呈现线性变化规律。因此,可以认为本系统的灵敏度为1×10-4RIU,这相比已有文献,也是一个较高的灵敏度。[18]

3 结论

本文提出了一种内嵌双微环结构。采用传输矩阵法进行了理论分析,结果表明,由于引入了内嵌双微环结构,相对传统结构而言,产生了相邻的两个分裂谐振峰。这两个谐振峰具有窄FWHM,高Q值的特性,且谐振峰波长间距较小。利用该特性,设计了采用拍频技术的内嵌微环传感器。该系统利用拍频技术,将光频检测转化为微波信号检测,降低了检测难度,提高了系统灵敏度。对该微环传感器在有损情况下的分析表明,在适当的耦合系数下,其传感灵敏度可以达到1×10-4RIU,对应的频率偏移为4 MHz/RIU。后续将着重分析小耦合系数下,分裂谐振峰能量通过率相差较大时对拍频性能的影响,进一步提高系统灵敏度。

[1] Katrien D V,Irene B,Etienne S,et al. Silicon-on-Insulator Microring Resonator for Sensitive and Label-Free Biosensing[J]. Optics Express,2007,15(12):7610-7615.

[2]王晓倩,李鹏,孟祥然,等. 高g光学微腔加速度计的结构设计[J]. 传感技术学报,2012,25(8):1049-1053.

[3]Chao C Y,Shai A,Huang S W,et al. High-Frequency Ultrasound Sensors Using Polymer Microring Resonators[J]. IEEE Trans on Ultrasonics,2007,54(5):957-965.

[4]Tao L,Chen S L,Guo L J. High-Sensitivity and Wide-Directivity Ultrasound Detection Using High Q Polymer Microring Resonators[J]. Applied Physics Letters,2011,98,204103.

[5]Matthew S L,Adam L W,Teresa A M,et al. Characterization of the Evanescent Field Profile and Bound Mass Sensitivity of a Label-Free Silicon Photonic Microring Resonator Biosensing Platform[J]. Biosensors and Bioelectronics,2010,26:1283-1291.

[6]Ali H,Yasha Y. Metallic Nanoparticle on Micro Ring Resonator for Bio Optical Detection and Sensing[J]. Bimedical Optics Express,2010,1(2):378-384.

[7]Nebiyu A Y,Petra L,Zeger H,et al. An Integrated Optic Ethanol Vapor Sensor Based on a Silicon-on-Insulator Microring Resonator Coated with a Porous ZnO Film[J]. Optics Express,2010,18(11):11860-11866.

[8]Chao C Y,Guo L J. Design and Optimization of Microring Resonators in Biochemical Sensing Applications[J]. Journal of Lightwave Technology,2006,24(3):1395-1402.

[9]Xia Z X,Chen Y,Zhou Z P. Dual Waveguide Coupled Microring Resonator Sensor Based on Intensity Detection[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics,2008,44(1):100-107.

[10]Jeon M Y,Kim N,Han S P,et al. Rapidly Frequency-Swept Optical Beat Source for Continuous Wave Terahertz Generation[J]. Opt Express,2011,19(19):18364-18371.

[11]Larrode M G,Koonen A M J,Olmos J J V,et al. Bidirectional Radio-Over-Fiber Link Employing Optical Frequency Multiplication[J]. Photonics Technology Letters,2006,18(1):241-243.

[12]Brian Culshaw,Alan Kersey. Fiber-Optic Sensing:A Historical Perspective[J]. Journal of Lightwave Technology,2008,26(9):1064-1078.

[13]刘盛春. 基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究[D]. 南京:南京大学,2011.

[14]钱祥忠. 一维光子晶体液晶微谐振腔的温度特性[J]. 传感技术学报,2010,23(7):954-957.

[15]Hong Wei,Gu Guohua,Chen Qian. Analysis of Microring Filter with Two Embedded Microring[J]. Optik,2013,124(19):3933-3935.

[16]Hong Wei,Gu Guohua,Chen Qian. Optical Sensor Based on Embedded Microring[C]//ICISCE2012,Shenzhen,China,2012:1686-1689.

[17]Ling T,Chen S L,Guo L J. Fabrication and Characterization of High Q Polymer Micro-Ring Resonator and Its Application as a Sensitive Ultrasonic detector[J]. Opt Express,2011,19(2):861-869.

[18]Stoffer R,Hiremath K R,Hammer M,et al. Cylindrical Integrated Optical Microresonators:Modeling by 3-D Vectorial Coupled Mode Theory[J]. Optics Communications,2005,56:46-67.

洪玮(1980-),女,博士,南京理工大学电子工程与光电技术学院讲师,主要研究方向为光电子学器件等,hongwei@njust.edu.cn;

陈钱(1964-),男,南京理工大学电子工程与光电技术学院 教授、博士、博士生导师。学术任职兼任国际光学工程学会(SPIE)会员、国际信息显示学会(SID)会员、中国青年科协委员、总装备部XX专家组成员、国际科工委XX委员会委员、中国光学学会光电技术专业委员会常委、中国兵工学会光电子专业委员会委员、中国兵工学会理事、江苏省激光与光学工程学会理事和江苏省光电技术专业委员会副主任委员。

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

项目来源:江苏省自然基金项目(BK20140799);中央高校基本科研业务费专项资金资助(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