基于微结构光波导的传感技术及其应用研究

【摘要】：在人类的发展历程中,从未停止过对世界的探索,传感技术的发展极大的推动了人们感知世界的进程。随着物联网时代的到来,人们希望借助性能优良的传感器与信息通信技术,实现万物皆可通过网络互联。传统的大体积弱功能传感器因其信息处理速度慢、体积大、性能不稳定等弊端,很难满足物联网时代对传感器的需求,而集成型传感器因其结构小巧、可多参量传感、信息处理量大、传感性能好等优势受到了越来越多的重视,它成为传感技术发展的热点。如何进一步降低传感器尺寸、降低批量生产成本、提高传感性能和提高稳定性是集成型传感器发展的关键因素。微结构光波导具有结构简单、体积小、传感性能好等优势,在光传感、激光器等领域得到了广泛的应用,它极大降低了传感器结构的尺寸,方便在各场景中布局传感器,其惊人的研究进展和巨大的市场潜力为传感器微型化提供了巨大的推动力。本文研究了基于微结构光波导的传感技术,并研究了其传感应用,主要研究内容和取得的成果如下:1、研究了微纳光纤耦合器(MicrofiberCoupler,MFC)结构,建模分析其稱合过程和传输特性,分析其折射率传感机理。以低浓度氨气检测为例,开展涂覆型MFC气体传感应用研究。采用“微加热刷”技术制备腰锥直径3μm、锥区长度25mm的弱稱合型MFC,利用化学方法制备对氨气灵敏的不同粘稠度的硅溶胶凝胶(Silica gel),研究在整个MFC锥区实现纳米级均匀涂覆增敏材料的技术。设计基于涂覆型MFC的氨气传感器并研究其传感性能,当涂层厚度为90nm时,传感结构氨气响应的灵敏度达2.23 ram/ppm、最高分辨达到5 ppb,比传统的涂覆型光纤传感器分辨率提升了3个量级,具有良好的可重复性和气体选择特性,实验发现涂覆层厚度对传感灵敏度影响很大,通过控制涂覆层厚度实现对传感灵敏度的调控。同时,分析了涂覆型MFC的温度、湿度响应特性,MFC输出光谱对于温度增加具有线性红移响应,灵敏度达到0.55nn/℃C,对于湿度增加具有指数型蓝移响应,最高灵敏度可达到1.6 nm/%RH。研究发现由于制备工艺导致的±0.5 μ光纤直径误差对温湿度响应产生很小的影响,此结构具有较大的制备冗余度,降低了对加工工艺的要求。此研究为发展涂覆型MFC结构成为微型化、集成化传感器奠定了一定的研究基础。2、研究了椭球级联布拉格光纤光栅(Ellipsoid and Fiber Bragg Grating,EFBG)传感结构,分析其传感机理及传输特性,建模分析与实验观察证明,在EFBG结构中椭球结构承担着模式激发器与耦合器的作用,在EFBG反射端可以观察到布拉格反射峰与很高能量的包层模谐振峰。研究充分挖掘了 EFBG结构对不同环境参量的响应特性,研究发现EFBG可以实现温度不灵敏的折射率传感,折射率传感范围可达到1.3352～1.4425,且在低折射率检测区间(1.3352-1.37),包层模谐振峰频移与折射率呈线性关系,灵敏度约为355 pm/RIU,在高折射率检测区间(1.37～1.4425),频移与折射率成指数型关系,最高灵敏度达到4182pm/RIU(Refractive index unit)。同时实验证明了椭球与FBG间距对灵敏度的影响非常小。除折射率和温度外,本文还研究了 EFBG对轴向拉力与弯曲曲率的响应,实验证明EFBG输出光谱的不同阶次谐振峰对轴向拉力具有完全相同的频移响应,而当弯曲曲率变化时,包层模谐振峰功率对弯曲曲率响应的平均灵敏度可达到19.78 mW/m。3、研究了基于硅基波导的同心双环谐振腔(Silicon Concentric Dual Microring Resonator,SCDMR)结构,利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)物理建模分析其传输特性。同心双环谐振腔通过内环波导增加了环形谐振腔整体的内部损耗,使得谐振腔更易达到临界耦合状态,增加输出谐振峰的消光比(Extinction Ratio,ER)和品质因子(Quality factor,Q)。研究分析SCDMR波导尺寸、直波导-外环波导间距与内-外环波导间距等谐振腔参数,对波导灵敏度、ER、Q值和传感灵敏度的影响,根据传感器性能和传输损耗之间的平衡最佳值确定SCDMR的结构参数,此时输出谐振峰ER可以达到30 dB,Q值达到1.7 X 105。设计基于SCDMR的折射率传感器,检测蔗糖溶液和NaCl溶液,并分析谐振状态下其光场分布。检测NaCl溶液浓度灵敏度为376.42 pm/%,探测极限为0.53%,检测蔗糖溶液浓度灵敏度为369.27pm/%,探测极限为0.54%。