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基于马赫-曾德干涉仪的色散转折效应及其传感性能模拟研究.docx
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基于马赫-曾德干涉仪的色散转折效应及其传感性能模拟研究.docx
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摘要
设计了工作在近红外波段的硅基马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器。理论和仿真模拟
分析表明,通过改变 MZI 的结构参数可以对输出干涉谱的色散转折特性进行调控,经过优化
后色散转折点(DTP)所对应的波长可以调至近红外波段(1550 nm),通过改变 MZI 周围的环
境折射率(SRI)可以使折射率灵敏度达到 37500 nm/RIU。由于 DTP 两侧的干涉条纹对外界
折射率响应有相反的特性,将干涉波谷的相对漂移量作为检测对象,能够将灵敏度提高 2 倍,
即 75000 nm/RIU。不同于常规基于光栅和波导耦合构架的 DTP 传感器,所设计的 DTP 结
构中两个干涉模式互不相关且均可独立调控,并可根据需要灵活调控色散转折波长。
Abstract
In this paper, a silicon-based Mach-Zehnder interferometer (MZI) refractive index sensor
working in the near infrared band is designed. Theoretical and simulation analysis show
that the dispersion turning characteristics of the output interference spectrum can be
regulated by changing the structural parameters of MZI. After optimization, the
wavelength corresponding to the dispersion turning point (DTP) can be adjusted to the
near-infrared band (1550 nm). By changing the ambient refractive index (SRI) around the
MZI, the refractive index sensitivity can reach 37500 nm/RIU. Since the interference
fringes on both sides of DTP have opposite characteristics to the refractive index
response of the outside world, taking the relative drift of the interference trough as the
detection object can improve the sensitivity by two times, the value is 75000 nm/RIU.
Different from conventional DTP sensor based on grating and waveguide coupling
structure, the two interference modes in the designed DTP structure are unrelated and
can be adjusted independently, and the dispersion transition wavelength can be adjusted
flexibly according to the needs.
1 引言
光波导凭借其特殊的几何结构,可以将从外界进入的光场压缩并限制在微米量级的二维或三
维区域内传播。当外界环境条件变化时,光强度和相位或偏振等光场特性将在传播过程中发
生改变,利用某些特殊的光波导结构可以增强或放大光波导器件对外界环境变化的敏感性
[1-
3]
,因此其经常被用于探测有毒有害气体、分析环境污染物和实时监测分子间的相互作用等
领域
[4]
。集成光波导传感器可以根据波导结构和传感器结构的不同来分类。基于波导结构
的不同,集成光波导传感器有光子晶体
[5]
、狭缝波导
[6]
、条形波导
[7]
和光栅波导
[8]
等。基于传
感器结构的不同,集成光波导传感器有微盘谐振器
[9]
、微环谐振器
[10]
、马赫-曾德干涉仪
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489940/bg2.jpg)
(MZI)
[11]
和杨氏干涉仪
[12]
等。这些传感器通常是通过倏逝场来感知环境变化,其灵敏度与波
导模式的倏逝场大小直接相关。
基于绝缘衬底上的硅(SOI)平台的集成波导折射率传感器具有灵敏度高、体积小和抗电磁干
扰的优点,而且容易实现光器件的微型化和集成化。这些折射率传感器有很多不同的结构。
其中环形谐振器的传感机制是谐振效应,不需要对转换信号进行连续测量,容易复用,但是灵
敏度较低,需要在一定的波长范围内进行扫描
[13]
;MZI 利用基于光相移变化的传感方案,其中
干涉是由传感器两臂之间的相对相移引起的,灵敏度较高,被广泛应用于环境监测、医疗诊
断和生化探测等领域
[14]
。
色散转折点(DTP)具体来说是波导群折射率在两种不同电场模式下的交点,首次被发现在拉
锥光纤中
[15]
,之后在长周期光纤光栅(LPG)
[16-17]
和少模光纤中也发现了类似的效应
[18-19]
。与不
具有 DTP 特性的传感器相比,具有 DTP 特性的传感器的灵敏度会有极大的提升。在目前报
道的 DTP 传感器中,熔融拉锥光纤耦合器的灵敏度能达到 92020 nm/RIU
[20]
,LPG 的灵敏度
能达到 5078 nm/RIU
[21]
,光栅耦合狭缝波导结构的灵敏度能达到 1970 nm/RIU
[22]
。这些结构
大都是在满足相位匹配的情况下通过一种模式激发出另外一种高阶模,再通过两种模式的耦
合进而形成 DTP 效应
[23]
。这些结构都是在一个波导中激发两种模式再进行干涉,由于两个
模式同属一个波导,故两个模式不能独立调控,为此不利于灵活设计。
本文提出一种基于非对称 MZI 且具有超高灵敏度的 DTP 波导结构,MZI 的两个臂分别由条
形波导与狭缝波导构成,通过设计两个臂的结构参数可使条形波导与狭缝波导具有相同的群
折射率,两个臂的光场在输出端相互干涉可形成 DTP 效应。由于狭缝波导中的光场与外界
环境有较大的交叠,当环境折射率发生变化时,干涉条纹将产生巨大的漂移,从而使波导结构
具备极大的折射率灵敏度。波导结构经过优化后,折射率灵敏度可达 37500 nm/RIU。由于
DTP 两侧的干涉条纹具有相反的漂移特性,利用相对漂移量作为监测对象,得到灵敏度可达
75000 nm/RIU。在此基础上,进一步探讨了该结构在气压传感中的应用。
2 理论模型和波导设计
2.1 波导结构设计与理论分析
图 1 为基于 MZI 的折射率传感器的原理图。如图 1(a)所示,传感器整体是一个基于 MZI 结
构的硅基集成波导,其中衬底材料为二氧化硅,波导材料为硅。传感器分为上下支路,其中条
形波导所在的上支路为参考支路,狭缝波导所在的下支路为传感支路,参与传感的气体填满
下支路的气体腔。其中,上支路中的条形波导与 Y 分支通过对称的梯形体连接,下支路中的
狭缝波导与 Y 分支通过锥形结构连接。条形波导的横截面如图 1(b)所示,条形波导的高度为
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h
strip
,宽度为 w
strip
。狭缝波导的横截面如图 1(c)所示,狭缝波导的高度为 h
slot
,硅的宽度为 w
Si
,
狭缝的宽度为 w
slot
。
图 1. 基于 MZI 的折射率传感器的原理示意图。(a)整体结构;(b)条形波导的截面;(c)狭缝波
导的截面
Fig. 1. Schematic of refractive index sensor based on MZI. (a) Overall structure; (b)
section of strip waveguide; (c) section of slot waveguide
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MZI 两条支路的输出光场因干涉效应而产生干涉条纹,外界环境的微小变化都会引起波导中
导模倏逝场或者传输相位的改变,具体来说就是当待测物发生变化时,传感臂波导的有效折
射率(ERI)随之发生变化,因传感臂的光程发生相应的变化,从而造成干涉条纹的移动,通过对
干涉条纹分布及条纹移动的定量测量可以得到传感器的灵敏度。
假设 I
1
和 I
2
分别为 MZI 两臂上条形波导和狭缝波导中的电场强度,ϕ 为两种模式经过干涉之
后的累计相位,输出光谱的强度可以表示为
[Math Processing Error]I=I1+I2+2I1I2cosϕ
。
(1)
干涉谱的周期性传输零点
[24]
满足
[Math Processing Error]ϕN=ΔβL=Δneff×2πλNL=(2N-1)π,(2)
式中:L 为干涉腔的长度;Δβ 和 Δn
eff
分别为传输常数的差值和 ERI 的差值;λ
N
为传输光谱上
第 N 个传输零点所对应的波长。在 λ
N
处的折射率灵敏度(SRI)可以表示为
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