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，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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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)，通過檢測光纖單直波導(dǎo)輸出端口處波長的漂移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測。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，通過檢測光纖單直波導(dǎo)輸出端口處波長的漂移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下：Si基底的長為1200nm、寬為800nm、厚度為200nm，光纖單直波導(dǎo)長為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，通過波長變化實(shí)現(xiàn)加速度的檢測。

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端口輸入光的光場為E1，Output端口的輸出光場為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強(qiáng)度，Er1和Er2分別為耦合區(qū)諧振腔側(cè)的光場強(qiáng)度，Leff為諧振腔耦合區(qū)的有效耦合長度，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諧振波長漂移量以及同一波長的輸出強(qiáng)度變化量實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測。光纖波導(dǎo)測試結(jié)果如圖3所示。測試結(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)測試結(jié)果

2　加速度傳感結(jié)果分析

2.1波長漂移法

圖4　不同加速度下的輸出光譜圖

根據(jù)理論分析通過檢測輸出端口諧振波長的漂移量的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的探測，該方法可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和較大范圍的檢測。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的漂移量來實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測量。圖5為諧振波長與加速度的關(guān)系曲線圖，加速度與諧振波長漂移量基本呈線性關(guān)系。

圖5　諧振波長與加速度之間關(guān)系圖

表1、圖6給出了加速度與諧振波長及諧振波長漂移量的關(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　加速度與諧振波長及諧振波長漂移量的關(guān)系

圖6　加速度與諧振波長的擬合曲線

2.2強(qiáng)度測量法

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)均與波長漂移法的參數(shù)一致。通過仿真，我們得出了在波長為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)模化，具有一定的參考價(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