新型微機電系統的光纖傳感器設計及應用

吳勇翀，劉艷峰（.江西科技學院，南昌330098；.延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安76000）

?

中文核心期刊

新型微機電系統的光纖傳感器設計及應用

吳勇翀1，劉艷峰2
（1.江西科技學院，南昌330098；2.延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安716000）

摘要：設計了一種新型的微腔加速度光纖傳感器，采用了Si基底上設計一圓柱形M IM波導的結構，通過檢測光纖單直波導輸出端口處波長的漂移量，實現對加速度的檢測。理論計算和仿真結果驗證得到：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系；微納光纖傳感器的靈敏度較高，能夠實現較好的加速度傳感器。

關鍵詞：微電子機械系統；傳感器；M IM波導；微納光纖

0　引言

微光機電系統（MOEMS）是近幾年發展起來的一種極具有活力的新技術系統，它是由微光學、微電子和微機械相結合而得到的一種新型的微光學結構系統［1］。除了能夠繼承微電子機械系統（MEMS）成熟的制作工藝外，MOEMS能把各種MEMS結構與微光學器件、光學諧振腔、光波導、半導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、智能電子產品、機器人和高技術武器等高新技術領域的關鍵傳感器件之一，加速度傳感器通過檢測敏感單元材料的導電特性、力學特性或者溫度特性來檢測加速度的變化量［4，5］。光學微環諧振腔作為光學微腔的一個重要研究部分，自1969年由Marcatili提出以后，受到國內外眾多科研人士的關注［6，7］。本文基于這一背景，設計了一種新型的微腔加速度光纖傳感器。

1　波導結構和理論分析

1.1波導結構設計

圖1　波導結構

本文設計的波導結構如圖1所示，新型光纖波導加速度傳感器原理如下：在Si基底上層設有一圓柱形MIM波導結構，MIM波導結構為對稱的銀-二氧化硅-銀對稱波導，基底上連接有單直微納光纖波導，入射光由光纖單直波導輸入，通過倏逝波不斷耦合到MIM波導結構。當波導施加加速度時，由于彈光效應MIM波導結構的折射率發生變化，產生的倏逝波傳播也發生變化，這樣就會導致MIM波導間諧振波長發生漂移，從而使得光纖單直波導輸出端的光強度發生改變，通過檢測光纖單直波導輸出端口處波長的漂移量，實現對加速度的檢測。波導結構幾何參數如下：Si基底的長為1200nm、寬為800nm、厚度為200nm，光纖單直波導長為1200nm、直徑為80nm、對稱銀膜厚度為400nm，二氧化硅膜層厚度為500nm。傳感器能夠通過調節MIM波導的幾何參數，實現調節傳輸特性，通過波長變化實現加速度的檢測。

1.2諧振腔的加速度傳感

圖2　微納光纖環形諧振腔的理論模型

微納光纖環的理論模型如圖2所示，微納光纖環形諧振腔由一個半徑為r的環形腔與一根直微納光纖組合而成。該結構中光的傳輸過程可以簡單地描述為：光從入射端輸入，經過直微納光纖與環形腔的交疊處（即耦合區）時，一部分光會因為直微納光纖與環形腔兩者之間倏逝波的存在而發生耦合，耦合進入環形腔的光在滿足諧振條件時在環形腔內發生諧振，光在環形腔中傳播一周后，再次從耦合區的環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入環形腔的光則直接從直波導的輸出端口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，在耦合區域，直微納光纖與環形腔之間的互耦合系數為k，自耦合系數為t，在耦合區兩側環形腔中的光場分別為E3、E4，互耦合系數為k與自耦合系數為t之間滿足k2+t2=1。微納光纖環形諧振腔各光場之間的關系可以通過以下的矩陣進行描述：

其中：τ為光在環形腔中傳播一周的振幅衰減因子，p為光在環形腔中傳播一周經歷的相位因子。當在環形諧振腔中的光滿足諧振條件時，即光在環形腔中的相位變化φ=2mπ時，則有：

若t=τ，則有單直波導輸出端的出處光場為零，即輸入光光波一部分耦合進入環形諧振腔中，另一部分被完全消耗掉，這種情況稱為臨界耦合。根據微納光纖環形諧振腔的理論，諧振腔中各個光場可以通過傳數矩陣的形式描述：

其中，βr為傳播常數，Ei和E0分別為單直波導的輸入端口和輸出端口的光場強度，Er1和Er2分別為耦合區諧振腔側的光場強度，Leff為諧振腔耦合區的有效耦合長度，tr和kr分別為振幅衰減因子和自耦合系數。并且有：

其中，m為質量塊的質量，a為外界加速度大小，L1為質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成的一根單直微納光纖和微環諧振腔共同作為傳感元件，光從輸入端輸入時，經過直波導傳輸，在直波導和諧振腔會發生耦合，同時耦合進入諧振腔的光會在腔內諧振，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度變化量實現對加速度的檢測。光纖波導測試結果如圖3所示。測試結果表明波導耦合系數較大，促進了MIM波導間沿著波導面傳輸的表面波，部分的表面波被反射回了縫隙腔體內，結果表明光纖能夠很好地實現光波傳播。

圖3　光纖波導測試結果

2　加速度傳感結果分析

2.1波長漂移法

圖4　不同加速度下的輸出光譜圖

根據理論分析通過檢測輸出端口諧振波長的漂移量的方法實現對加速度的探測，該方法可以實現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，加速度每增加10g時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度和3dB帶寬基本沒有變化，Q值可達104，只有諧振波長向右邊發生了移動。為了更清楚地看出在逐漸增加加速度時，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現對加速度的測量。圖5為諧振波長與加速度的關系曲線圖，加速度與諧振波長漂移量基本呈線性關系。

圖5　諧振波長與加速度之間關系圖

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系，從圖表中可以擬合得到傳感系數約為2×10-4，計算結果進一步得出傳感器的靈敏度較高，能夠較好地實現加速度傳感器作用。

表1　加速度與諧振波長及諧振波長漂移量的關系

圖6　加速度與諧振波長的擬合曲線

2.2強度測量法

本文通過MATLAB仿真軟件以及前面的理論研究對基于測量光強度的加速度傳感器的相關特性進行分析。這里所有的相關參數均與波長漂移法的參數一致。通過仿真，我們得出了在波長為1500nm，加速度從1g變化時，加速度變化與輸出端的歸一化輸出強度的關系圖，如圖7所示。

從圖中可以看出，加速度范圍在0～0.5g時，加速度與輸出強度基本呈線性關系，當加速度0.5g時，歸一化輸出強度為0.5349。通過計算，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度的關系

3　結束語

集成化和微型化是現今光子器件的主要發展方向。微納光纖是一種微觀尺度的光波導結構，與普通光纖相比，微納光纖的相對折射率差值很大，對光的束縛能力很強，且由微納光纖制作而成的環形諧振腔相比較于普通光纖，其尺寸更小，損耗更低，品質因素更高，這些特點都有助于提高由微納光纖環制作而成的傳感器的靈敏度。本文設計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系。結果表明：微環諧振腔波動明顯，耦合效率較好；加速度與諧振波長漂移量基本呈線性關系。研究結果對于光波導器件的微型化、集成化和規?；?，具有一定的參考價值。

參考文獻：

［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，付連春，等.光纖傳感器的分類及其應用原理［J］.光譜學與光譜分析，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］關祥毅，趙麗麗，朱琳，等.光纖傳感器在帶傳動參數測量中的應用［J］.紅外與激光工程，2013（11）：3127-3131.

［6］李宏男，李東升，趙柏東，等.光纖健康監測方法在土木工程中的研究與應用進展［J］.地震工程與工程振動，2002，22（6）：76-83.

［7］吳媛，卞龐，趙江，等.一種消除偏振衰落的干涉型光纖傳感器［J］.儀器儀表學報，2014，35（4）：889-893.

中圖分類號：O23

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0047-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.014

收稿日期：2016-01-19。

基金項目：國家自然科學基金（61379026）資助；陜西省科學技術研究發展計劃項目（工業攻關）（2014K05-61）資助；陜西省教育廳2011年科學研究項目計劃（11JK0915）資助；陜西省高水平大學建設專項資金資助項目（物理學2012SXTS05）資助；延安大學大學物理實驗精品課程（YDJPKC11-21）資助。

作者簡介：吳勇翀（1980－），男，碩士，講師，主要研究方向為機械電子。

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