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专利号: 2022100260499
申请人: 中国地质大学(武汉)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于游标效应的片上折射率与温度双参量传感器,其特征在于:该片上折射率与温度双参量传感器包括两个传感环、一个参考环和三条总线波导,三条总线波导分别为波导一、波导二和波导三,参考环位于波导一和波导二中间,两个传感环均位于波导二和波导三中间,单个传感环和参考环组成了级联双环折射率传感器,双传感环和参考环构成了基于游标效应的双参量传感器;

参考环位于波导一和波导二中间,光信号从波导一的左侧输入,满足谐振条件的光信号在参考环上跑道部分耦合进该参考环内,并经由该参考环下跑道部分耦合进波导二,光信号耦合进波导二后,经波导二从右向左传播,并在传感环上跑道部分耦合进传感环,传感环上均设置有传感窗口,分析物由该传感窗口注入进相应的传感环,光信号与分析物在传感环中发生相互作用,并最终在输出端得到两个尖锐的谐振峰,利用游标效应将外界环境微小的变化转换为谐振峰中心波长的偏移量,并通过两个传感环与参考环对齐分度差异,将偏移量大幅度地放大,监测出两个谐振峰中心波长的偏移量,即得到折射率和温度的变化量,从而同时实现折射率和温度的同时测量;

所述两个传感环均为跑道型亚波长光栅波导微环,参考环为跑道型普通微环,由条形波导组成;

所述波导一为条形波导,波导二右侧为条形波导,左侧为亚波长光栅波导,中间由渐变的拉锥波导连接;

参考环和两个传感环的半径分别为5μm、8μm和8.25μm,跑道长度分别为3μm、4.5μm和

4.25μm;

所述参考环与波导一的构造相同,波导宽度均为400nm;

所述波导三与传感环均为具有相同构造的亚波长光栅波导,亚波长光栅波导由两种折射率不同的物质周期排列组成,其中低折射率物质为分析物,其周期为250nm,占空比为

0.6,波导宽度均为400nm;

所述波导一、波导二与参考环之间的耦合间距相同,均为160nm;

所述波导二、波导三与传感环的耦合间距相同,均为260nm;

当同时进行折射率和温度测量时,所述双参量传感器透射谱中两个传感环的谐振峰位移可由下式计算得到:其中,λ1,2是谐振峰的中心波长,ng是波导的群折射率,α为波导材料的热膨胀系数,ΔT,Δnc分别为温度变化量和溶液浓度变化引起的包层溶液折射率变化量,neff1,2为波导的有效折射率, 是波导有效折射率的变化与温度变化之比, 是波导有效折射率的变化与分析物折射率的变化之比;

温度和折射率的变化量的计算公式为:

其中,ΔT,Δnc分别表示温度和折射率的变化量, 分别表示第一谐振峰

和第二谐振峰的温度灵敏度和折射率灵敏度,Δλ1表示在游标效应的作用下,传感环S1的中心波长偏移量被放大为第一谐振峰λpeak1与λ’peak1之间的波长差,Δλ2表示在游标效应的作用下,传感环S2的中心波长偏移量被放大为第二谐振峰λpeak2与λ’peak2之间的波长差,λ’peak1表示传感环S1的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第一谐振峰,λ’peak2表示传感环S2的谐振峰与参考环其余谐振峰重叠后形成的新的第二谐振峰;在初始状态下,参考环的一个谐振峰与传感环S1的谐振峰重叠,在总的透射谱中会形成第一谐振峰λpeak1;同理,参考环的另一个谐振峰与传感环S2的谐振峰重叠,形成了第二谐振峰λpeak2。

2.根据权利要求1所述片上折射率与温度双参量传感器,其特征在于,三条总线波导与两个用于上传下载的传感环的材质均为SOI。