[发明专利]一种马赫-曾德干涉仪与微腔级联的强度探测型传感器

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种马赫-曾德干涉仪与微腔级联的强度探测型传感器。

背景技术

微型化、集成化、多功能化、智能化、便携式将成为新型光学传感器的发展趋势，针对这些要求，基于集成光学的平面光波导的传感器将在这一领域大有作为。当被测物理量发生变化时，它们所对应的荧光特性、谐振、吸收、拉曼散射、表面等离子体共振等特性就会发生变化，所以可以通过光学方法进行测定。基于光学原理的集成光波导传感器由于其具有灵敏度高、响应时间短、不受电磁干扰、器件尺寸小等特点受到广泛关注。

基于平面光波导的集成光子器件在光通信领域中的研究已经很成熟，且在实际应用中取得了突出的成果。利用目前的研究成果，把集成光子技术用于生物传感能够节约大量人力物力，是一个方便快捷的方法。集成光子传感器的感应和传递信息的媒质是直接制作在芯片上的平面光波导结构.对于传统的基于谐振原理的集成光子传感器，一般是通过测量谐振波长的漂移获得被测物理量的大小。因此，对于高灵敏度传感应用，高分辨率（如0.02nm）光谱仪就往往成为不可或缺的重要检测仪器。但高分辨率光谱仪不仅价格昂贵，而且体积庞大。这极大地阻碍了光学传感系统微型化、便携化和低成本化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种马赫-曾德干涉仪与微腔级联的强度探测型传感器。以强度探测取代频谱探测，避免使用光谱仪，结合平面光波导的集成化优势及微纳光腔的高灵敏度特性，实现光传感功能。

本发明包括宽带光源、输入光波导、微腔传感单元、连接光波导、马赫-曾德干涉仪型滤波器、输出光波导、光探测器；且宽带光源、输入光波导、微腔传感单元、连接光波导、马赫-曾德干涉仪型滤波器、输出光波导、光探测器自左向右依次耦合连接。

所述的光探测器为集成式MSM型硅基光电探测器，用于测量最终输出光强。

所述的宽带光源为外接的发光二极管；所有输入光波导、连接光波导、输出光波导均为单模传输平面集成光波导。

所述的微腔传感单元与待测物质直接相接触，微腔传感单元为二维光子晶体微腔或一维光子晶体纳米梁微腔；微腔传感单元随其所处待测环境不同而具有不同的谐振透射峰值波长；当待测物质的浓度引起其有效折射率变化而通过倏逝波作用于微腔传感单元导致其光学长度发生相应变化，从而进一步引起其谐振峰位置的变化；利用级联的马赫-曾德干涉仪型滤波器对不同波长的光能量具有不同透过率的特性，就能够将微腔传感单元的谐振峰的变化，转化为从马赫-曾德干涉仪型滤波器出射的光能量的变化。

当宽带光源的光信号耦合入输入光波导并经传播进入微腔传感单元；微腔传感单元输出光强光谱满足洛伦兹线型，即：

T1=AΔλ4(λ-λ0)2+Δλ2---(1)]]>

式（1）中，T₁为经过微腔传感单元后的透射系数，A为归一化系数，λ₀为谐振中心波长，Δλ为半极大全宽度，λ为入射光波长。

所述的马赫-曾德干涉仪型滤波器的光强透射系数T₂为：

T₂＝sin²(ΔLnπ/λ)    （2）

式（2）中，ΔL为马赫-曾德干涉仪型滤波器两臂之间的光程差，n为波导折射率，λ为入射光波长。

微腔传感单元与马赫-曾德干涉仪型滤波器之间通过连接光波导而形成级联，总的透射系数T表示为：

T＝T₁×T₂    （3）