新型微机电系统的光纤传感器设计及应用

吴勇翀，刘艳峰（.江西科技学院，南昌330098；.延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安76000）



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新型微机电系统的光纤传感器设计及应用

吴勇翀1，刘艳峰2
（1.江西科技学院，南昌330098；2.延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安716000）

摘要：设计了一种新型的微腔加速度光纤传感器，采用了Si基底上设计一圆柱形M IM波导的结构，通过检测光纤单直波导输出端口处波长的漂移量，实现对加速度的检测。理论计算和仿真结果验证得到：在加速度每增加10g的情况下，输出光谱图约向右漂移3nm，加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系；微纳光纤传感器的灵敏度较高，能够实现较好的加速度传感器。

关键词：微电子机械系统；传感器；M IM波导；微纳光纤

0　引言

微光机电系统（MOEMS）是近几年发展起来的一种极具有活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而得到的一种新型的微光学结构系统［1］。除了能够继承微电子机械系统（MEMS）成熟的制作工艺外，MOEMS能把各种MEMS结构与微光学器件、光学谐振腔、光波导、半导体激光器和光检测器件等完整地集成在一起［2，3］。作为航空航天、智能汽车、智能电子产品、机器人和高技术武器等高新技术领域的关键传感器件之一，加速度传感器通过检测敏感单元材料的导电特性、力学特性或者温度特性来检测加速度的变化量［4，5］。光学微环谐振腔作为光学微腔的一个重要研究部分，自1969年由Marcatili提出以后，受到国内外众多科研人士的关注［6，7］。本文基于这一背景，设计了一种新型的微腔加速度光纤传感器。

1　波导结构和理论分析

1.1波导结构设计

图1　波导结构

本文设计的波导结构如图1所示，新型光纤波导加速度传感器原理如下：在Si基底上层设有一圆柱形MIM波导结构，MIM波导结构为对称的银-二氧化硅-银对称波导，基底上连接有单直微纳光纤波导，入射光由光纤单直波导输入，通过倏逝波不断耦合到MIM波导结构。当波导施加加速度时，由于弹光效应MIM波导结构的折射率发生变化，产生的倏逝波传播也发生变化，这样就会导致MIM波导间谐振波长发生漂移，从而使得光纤单直波导输出端的光强度发生改变，通过检测光纤单直波导输出端口处波长的漂移量，实现对加速度的检测。波导结构几何参数如下：Si基底的长为1200nm、宽为800nm、厚度为200nm，光纤单直波导长为1200nm、直径为80nm、对称银膜厚度为400nm，二氧化硅膜层厚度为500nm。传感器能够通过调节MIM波导的几何参数，实现调节传输特性，通过波长变化实现加速度的检测。

1.2谐振腔的加速度传感

图2　微纳光纤环形谐振腔的理论模型

微纳光纤环的理论模型如图2所示，微纳光纤环形谐振腔由一个半径为r的环形腔与一根直微纳光纤组合而成。该结构中光的传输过程可以简单地描述为：光从入射端输入，经过直微纳光纤与环形腔的交叠处（即耦合区）时，一部分光会因为直微纳光纤与环形腔两者之间倏逝波的存在而发生耦合，耦合进入环形腔的光在满足谐振条件时在环形腔内发生谐振，光在环形腔中传播一周后，再次从耦合区的环形腔耦合到直微纳光纤，继而从Output端口输出；另一部分没有耦合进入环形腔的光则直接从直波导的输出端口Output端输出。

图2中，Input端口输入光的光场为E1，Output端口的输出光场为E2，在耦合区域，直微纳光纤与环形腔之间的互耦合系数为k，自耦合系数为t，在耦合区两侧环形腔中的光场分别为E3、E4，互耦合系数为k与自耦合系数为t之间满足k2+t2=1。微纳光纤环形谐振腔各光场之间的关系可以通过以下的矩阵进行描述：

其中：τ为光在环形腔中传播一周的振幅衰减因子，p为光在环形腔中传播一周经历的相位因子。当在环形谐振腔中的光满足谐振条件时，即光在环形腔中的相位变化φ=2mπ时，则有：

若t=τ，则有单直波导输出端的出处光场为零，即输入光光波一部分耦合进入环形谐振腔中，另一部分被完全消耗掉，这种情况称为临界耦合。根据微纳光纤环形谐振腔的理论，谐振腔中各个光场可以通过传数矩阵的形式描述：

其中，βr为传播常数，Ei和E0分别为单直波导的输入端口和输出端口的光场强度，Er1和Er2分别为耦合区谐振腔侧的光场强度，Leff为谐振腔耦合区的有效耦合长度，tr和kr分别为振幅衰减因子和自耦合系数。并且有：

其中，m为质量块的质量，a为外界加速度大小，L1为质量块到固定端的距离，b为固定端的宽度，h为固定端的厚度。我们将由微纳光纤构成的一根单直微纳光纤和微环谐振腔共同作为传感元件，光从输入端输入时，经过直波导传输，在直波导和谐振腔会发生耦合，同时耦合进入谐振腔的光会在腔内谐振，通过在输出端口检测谐振波长漂移量以及同一波长的输出强度变化量实现对加速度的检测。光纤波导测试结果如图3所示。测试结果表明波导耦合系数较大，促进了MIM波导间沿着波导面传输的表面波，部分的表面波被反射回了缝隙腔体内，结果表明光纤能够很好地实现光波传播。

图3　光纤波导测试结果

2　加速度传感结果分析

2.1波长漂移法

图4　不同加速度下的输出光谱图

根据理论分析通过检测输出端口谐振波长的漂移量的方法实现对加速度的探测，该方法可以实现高灵敏度和较大范围的检测。图4给出了加速度值在0～50g范围内，加速度每增加10g时的传感器输出光谱图。从图中可以看出输出光谱图的光谱强度和3dB带宽基本没有变化，Q值可达104，只有谐振波长向右边发生了移动。为了更清楚地看出在逐渐增加加速度时，输出光谱图中谐振波长的漂移量，在加速度每增加10g的情况下，输出光谱图约向右漂移3nm，最终，我们可以通过谐振波长的漂移量来实现对加速度的测量。图5为谐振波长与加速度的关系曲线图，加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系。

图5　谐振波长与加速度之间关系图

表1、图6给出了加速度与谐振波长及谐振波长漂移量的关系，从图表中可以拟合得到传感系数约为2×10-4，计算结果进一步得出传感器的灵敏度较高，能够较好地实现加速度传感器作用。

表1　加速度与谐振波长及谐振波长漂移量的关系

图6　加速度与谐振波长的拟合曲线

2.2强度测量法

本文通过MATLAB仿真软件以及前面的理论研究对基于测量光强度的加速度传感器的相关特性进行分析。这里所有的相关参数均与波长漂移法的参数一致。通过仿真，我们得出了在波长为1500nm，加速度从1g变化时，加速度变化与输出端的归一化输出强度的关系图，如图7所示。

从图中可以看出，加速度范围在0～0.5g时，加速度与输出强度基本呈线性关系，当加速度0.5g时，归一化输出强度为0.5349。通过计算，我们可以得到传感器的灵敏度约为1.0698/g，探测极限为2.8×10-3。

图7　加速度与归一化输出强度的关系

3　结束语

集成化和微型化是现今光子器件的主要发展方向。微纳光纤是一种微观尺度的光波导结构，与普通光纤相比，微纳光纤的相对折射率差值很大，对光的束缚能力很强，且由微纳光纤制作而成的环形谐振腔相比较于普通光纤，其尺寸更小，损耗更低，品质因素更高，这些特点都有助于提高由微纳光纤环制作而成的传感器的灵敏度。本文设计的采用微纳光纤的新型加速度传感器，理论分析了微纳光纤谐振腔传输及波长与加速度间的关系。结果表明：微环谐振腔波动明显，耦合效率较好；加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系。研究结果对于光波导器件的微型化、集成化和规模化，具有一定的参考价值。

参考文献：

［1］ZHU Jun，QIN Liuli，SONG Shuxiang，et al.Design of a Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Grating Connection［J］.Photonic Sensors，2015，5（2）：159-165.

［2］丁小平，王薇，付连春，等.光纤传感器的分类及其应用原理［J］.光谱学与光谱分析，2006，26（6）：1176-1178.

［3］CHOON LIM Y，KOUZANI A Z，KAYNAK A，et al.A protocol for improving fabrication yield of thin SU-8 microcantilevers for use in an aptasensor［J］.Microsystem Technologies，2015，21（2）：371-380.

［4］SALEEM M M，SOM A.Design of experiments based factorial design and response surface methodology for MEMS optimization［J］.Microsystem Technologies，2015，21（1）：263-276.

［5］关祥毅，赵丽丽，朱琳，等.光纤传感器在带传动参数测量中的应用［J］.红外与激光工程，2013（11）：3127-3131.

［6］李宏男，李东升，赵柏东，等.光纤健康监测方法在土木工程中的研究与应用进展［J］.地震工程与工程振动，2002，22（6）：76-83.

［7］吴媛，卞庞，赵江，等.一种消除偏振衰落的干涉型光纤传感器［J］.仪器仪表学报，2014，35（4）：889-893.

中图分类号：O23

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0047-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.014

收稿日期：2016-01-19。

基金项目：国家自然科学基金（61379026）资助；陕西省科学技术研究发展计划项目（工业攻关）（2014K05-61）资助；陕西省教育厅2011年科学研究项目计划（11JK0915）资助；陕西省高水平大学建设专项资金资助项目（物理学2012SXTS05）资助；延安大学大学物理实验精品课程（YDJPKC11-21）资助。

作者简介：吴勇翀（1980－），男，硕士，讲师，主要研究方向为机械电子。

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