CN117870850A - 基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，包括下包层，设在下包层上且与下包层为一体结构的上包层，在所述上包层和下包层之间设有单直波导芯层和环形波导芯层，且所述单直波导芯层和环形波导芯层位于同一平面上，所述单直波导芯层与环形波导芯层之间具有耦合间距，所述下包层相对环形波导芯层的另一端面上设有悬浮波导空气槽，所述悬浮波导空气槽位于环形波导芯层的正下方；在环形谐振腔中利用声致悬浮波导产生的机械振动效应可以增强微腔对声波的响应，从而进一步增强声传感灵敏度。

Description

基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传 感器

技术领域

本申请涉及传感技术领域的技术领域，尤其涉及基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器。

背景技术

当今世界处于以信息化全面引领创新、以信息化为基础重构国家核心竞争力的新阶段，以人工智能、量子信息、移动通信、物联网为代表的新一代信息技术加速突破应用，成为推动世界发展和社会生活进步的重要力量。其中，传感器技术是现代信息产业的三大支柱之一。人们可以利用传感器技术直接或间接获取到外界的声波、振动、温度、应变等信息，进而获取到自然界介质内部结构和属性。其中，由于声波信号在传播过程中会携带丰富的介质信息，所以其可作为理想的信息载体。通过检测、追踪和分析声波在介质中的传播特性，人们可以获得介质相关环境的内部属性和特征。比如通过超声成像可以获取小尺度介质内部的精密结构；追踪地层中次声段地震波信号的产生和传输特性，可以实现地质结构信息的获取，进而可对地质灾害进行预警，或实现地下自然资源的勘探；通过分析声场在桥梁、运输管道、铁轨等基建设施中的变化，即可完成对结构健康状态的监测。

现有商业化最为成熟的是电声传感器，但该传感器存在不抗电磁干扰、不耐恶劣环境等固有缺陷。此外，传统的压电换能器通常设计成高共振，以达到所需的灵敏度，但这会造成狭窄的带宽和共振引起的鸣响。而且大多电声传感器基于膜片变形的声敏感原理，当敏感膜片尺寸变小时，灵敏度会迅速下降。光纤声传感器近年来发展迅速，凭借灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、可微型化等优势，在国防安全、工业无损检测、医疗诊断及消费电子等领域得到了应用。但同样受限于声敏感材料—薄膜或其他可变形材料的材质、尺寸和厚度，多数光纤声传感器在结构健康监测、灾害预警、水声传感等微弱声信号测量应用中难以同时实现高灵敏、宽频带的声传感。

因此，需要发明一种可作为高灵敏、宽频带声传感优秀平台的光学声传感器，以满足弱声检测、睡眠监测、高质量语音信号采集与重建等应用领域的实际需求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，以实现高灵敏、宽频带的声传感，提高微弱声信号的探测精度和分辨率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，包括下包层，设在下包层上且与下包层为一体结构的上包层，在所述上包层和下包层之间设有单直波导芯层和环形波导芯层，且所述单直波导芯层和环形波导芯层位于同一平面上，所述单直波导芯层与环形波导芯层之间具有耦合间距，所述下包层相对环形波导芯层的另一端面上设有悬浮波导空气槽，所述悬浮波导空气槽位于环形波导芯层的正下方；

光从单直波导芯层的一端输入，当经过单直波导芯层与环形波导芯层的耦合区域时，一部分光耦合进入到环形波导芯层形成的环形谐振腔，在环形谐振腔绕环传输。

优选的，所述单直波导芯层与环形波导芯层之间具有耦合间距的距离可为5.1um到6.0um之间。

优选的，所述上包层上设有声敏感空气槽，该声敏感空气槽位于环形波导芯层的上方。

优选的，所述上包层和下包层的材料为二氧化硅，所述单直波导芯层和环形波导芯层的材料为掺锗二氧化硅。

优选的，所述单直波导芯层和环形波导芯层的折射率大于上包层和下包层的折射率。

优选的，所述单直波导芯层的两端与下包层的端面对齐。

优选的，所述环形波导芯层形成的环形谐振腔的品质因数为10⁶以上。

本发明具有的有益效果如下：

1.光从单直波导芯层的一端输入，当经过单直波导芯层与环形波导芯层的耦合区域时，一部分光耦合进入环形谐振腔，在腔内绕环传输，每经过耦合区域一次都会有部分光耦合到单直波导芯层1中，每次经过耦合区域，在环形谐振腔中传输一周的相移正好等于2π的光会局域在环形谐振腔中继续传输，并发生相长干涉，因此对于波长刚好满足谐振条件的光波，光能量被局域在环形谐振腔内，在腔内形成极高的能量密度，提高了检测的灵敏度。

2.在环形谐振腔环形波导芯层上包层表面刻蚀微型空气槽，在引出倏逝波的同时可以最大程度减少环形谐振腔品质因数的损耗，倏逝波与声波相互作用可以改变环形波导芯层的有效折射率，从而引起环形谐振腔谐振频率发生偏移，实现高灵敏、宽频带的声传感。

3.同步在环形谐振腔环形波导芯层基底往上刻蚀环形凹槽，刻至下包层，让整个环形波导芯层悬浮在硅基底上，形成微腔光力系统。在环形谐振腔中利用声致悬浮波导产生的机械振动效应可以增强微腔对声波的响应，从而进一步增强声传感灵敏度。

附图说明

图1是本发明中基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器的另一种结构示意图；

图2是图1中A-A的截面示意图；

图3是本发明中环形谐振腔的本征谐振图；

图4是本发明中基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器的声波信号影响谐振峰偏移图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

实施例：

如图1和图2所示的基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，包括下包层2，设在下包层2上且与下包层2为一体结构的上包层1，在所述上包层1和下包层2之间设有单直波导芯层3和环形波导芯层4，所述单直波导芯层3的两端与下包层2的端面对齐，环形波导芯层4为跑道型；所述单直波导芯层3和环形波导芯层4位于同一平面上，所述单直波导芯层3与环形波导芯层4之间具有耦合间距，本实施例中优选的间距为5.6um，在制备时，先在硅基底上沉积下包层2，然后在下包层2上通过沉积、光刻得到单直波导芯层3与环形波导芯层4，然后在单直波导芯层3与环形波导芯层4上沉积上包层1得到一体化光波导环形谐振腔；

上包层1和下包层2选用二氧化硅材料，单直波导芯层3和环形波导芯层4选用掺锗二氧化硅材料，单直波导芯层3和环形波导芯层4的折射率大于上包层1和下包层2的折射率，使得光能够在环形谐振腔内以全反射的形式传播；形成的环形谐振腔的品质因数为10⁶以上，具有较强的聚光能力和敏感检测精度。

在下包层2的下表面即声音接收面设置有悬浮波导空气槽5，或是在下包层2底部的基板层上设有悬浮波导空气槽5，该悬浮波导空气槽5与环形波导芯层4的形状相似，位于环形波导芯层4的正下方，将环形波导芯层4悬浮在悬浮波导空气槽5上方，当接收到声音时由于浮波导空气槽5的存在，环形波导的形变就会加大，提升声音检测的准确性；

具体在工作时，光从单直波导芯层3的一端输入，当经过单直波导芯层3与环形波导芯层4的耦合区域时，一部分光耦合进入到环形波导芯层4形成的环形谐振腔，在环形谐振腔绕环传输，每次经过耦合区域，在环形谐振腔中传输一周的相移正好等于2π的光会局域在环形谐振腔中继续传输，并发生相长干涉，不满足相位条件的光会耦合到单直波导芯层中，并与单直波导芯层透射光发生相消干涉。

因此对于波长刚好满足谐振条件的光波，光能量被局域在环形谐振腔内，在腔内形成极高的能量密度。环形谐振腔的光能量局域效应决定了其可以作为高灵敏传感单元，具体的是在环形谐振腔中如图3所示利用声致悬浮波导产生的机械振动效应可以增强微腔对声波的响应，从而进一步增强声传感灵敏度。

在另一个实施例中所述上包层1上设有声敏感空气槽6，该声敏感空气槽6位于环形波导芯层4的上方，上包层表面刻蚀微型空气槽至芯层引出倏逝波，倏逝波与声波相互作用改变波导有效折射率引起环形谐振腔谐振频率的漂移，从而实现外界声波的传感检测。通过在下包层2或者下包层2下部的基层下表面向上刻蚀悬浮波导空气槽5构成微腔光力学系统，声波作用于悬浮环形波导芯层引起波导的机械振动效应，可以增强环形谐振腔对声波的敏感响应。相较于单独只使用敏感材料的机械变形或无振膜介质折射率改变进行声探测的原理，可以在保持宽频带声传感的同时具有更高的传感灵敏度。

在信号解调方面，通过调相谱检测和高频载波同步解调相关技术实现，先将激光器频率稳定锁定到环形谐振腔谐振频率点处，再由信号调制解调模块输出信号经低通滤波器、比例积分微分控制模块来进行微弱声信号提取，这些技术为现有公知技术，本领域的技术人员很容易实现，因此在本说明书中未做详细说明。

如图4所示通过环形谐振腔表面倏逝波与声波作用引起波导有效折射率改变而引起谐振频率的偏移来敏感声信号，同时环形谐振腔中微腔光力机理引起的机械振动效应会进一步增强声响应灵敏度，而不会影响频带，是高灵敏、宽频带声传感器领域的创新。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，包括下包层(2)，设在下包层(2)上且与下包层(2)为一体结构的上包层(1)，在所述上包层(1)和下包层(2)之间设有单直波导芯层(3)和环形波导芯层(4)，且所述单直波导芯层(3)和环形波导芯层(4)位于同一平面上，所述单直波导芯层(3)与环形波导芯层(4)之间具有耦合间距，所述下包层(2)相对环形波导芯层(4)的另一端面上设有悬浮波导空气槽(5)，所述悬浮波导空气槽(5)位于环形波导芯层(4)的正下方；

光从单直波导芯层(3)的一端输入，当经过单直波导芯层(3)与环形波导芯层(4)的耦合区域时，一部分光耦合进入到环形波导芯层(4)形成的环形谐振腔，在环形谐振腔绕环传输。

2.权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述单直波导芯层(3)与环形波导芯层(4)之间具有耦合间距的距离可为5.1um到6.0um之间。

3.根据权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述上包层(1)上设有声敏感空气槽(6)，该声敏感空气槽(6)位于环形波导芯层(4)的上方。

4.根据权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述上包层(1)和下包层(2)的材料为二氧化硅，所述单直波导芯层(3)和环形波导芯层(4)的材料为掺锗二氧化硅。

5.根据权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述单直波导芯层(3)和环形波导芯层(4)的折射率大于上包层(1)和下包层(2)的折射率。

6.根据权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述单直波导芯层(3)的两端与下包层(2)的端面对齐。

7.根据权利要求1所述基于刻槽式悬浮波导环形谐振腔的灵敏度增强型宽频带声传感器，其特征在于，所述环形波导芯层(4)形成的环形谐振腔的品质因数为10⁶以上。