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高精度硅基集成光学温度传感器研究 被引量:11
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作者 王艺蒙 舒浩文 韩秀友 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1355-1361,共7页
传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性,而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度,也有利于降低系统复杂度和制造成本,近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振... 传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性,而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度,也有利于降低系统复杂度和制造成本,近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案,但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理,且成本较高,信号后处理较复杂,难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题,采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法,通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应,构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系,从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围,使用多微环级联结构,并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同,在保证低功耗低成本的同时,该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率,拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计,实现了响应范围覆盖-20~105℃、精度优于60 mK、响应时间优于20μs的精准快速测量的温度传感。 展开更多
关键词 集成光学 温度测量 微环阵列 集成传感器
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硅基双环谐振腔力敏传感特性实验研究 被引量:1
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作者 张伟 唐军 +2 位作者 刘建华 薛晨阳 刘丽双 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2016年第1期47-49,120,共4页
为研究双环谐振腔结构力敏传感特性,设计了不同半径比的基于绝缘衬底上硅的双环微腔结构。通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真得出:半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa;而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 p... 为研究双环谐振腔结构力敏传感特性,设计了不同半径比的基于绝缘衬底上硅的双环微腔结构。通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真得出:半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa;而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 pm/MPa,具有高的检测灵敏度,表明双环微腔敏感结构单元可应用于应力检测领域。 展开更多
关键词 微环谐振腔 绝缘体上硅 力敏检测 光波导
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基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感技术 被引量:1
3
作者 刘明慧 马麟 +1 位作者 邱辞源 何祖源 《光通信技术》 北大核心 2020年第10期6-8,共3页
针对微环谐振器用于折射率传感时动态范围较窄的问题,提出了一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感技术,使谐振波长漂移的计算能够不用考虑原始参考值以及增大折射率探测范围,并验证高阶模对环境变化更敏感。通过理论分析,建立仿真... 针对微环谐振器用于折射率传感时动态范围较窄的问题,提出了一种基于少模氮化硅微环谐振器的折射率传感技术,使谐振波长漂移的计算能够不用考虑原始参考值以及增大折射率探测范围,并验证高阶模对环境变化更敏感。通过理论分析,建立仿真模型,验证了该方法的可行性,并使用具有不同折射率的待测溶液开展传感实验,得到了91.79 nm/RIU的折射率灵敏度与10-5 RIU的分辨率。 展开更多
关键词 微环谐振器 折射率传感器 氮化硅波导
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沥青混合料含水量集成检测系统设计与研究 被引量:1
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作者 张勇 刘策 +1 位作者 郭晨 贺之莉 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第5期751-756,共6页
为提高路面沥青混合料含水量测量装置精度,简化结构,提出一种1.5 GHz微带环结构的含水量传感器检测系统。因含水量不同,不饱和混合料介电常数变化,导致微带环有效介电常数发生改变,谐振频率偏移。通过谐振频率反演混合料介电常数,建立... 为提高路面沥青混合料含水量测量装置精度,简化结构,提出一种1.5 GHz微带环结构的含水量传感器检测系统。因含水量不同,不饱和混合料介电常数变化,导致微带环有效介电常数发生改变,谐振频率偏移。通过谐振频率反演混合料介电常数,建立含水量与有效介电常数的线性关系求得沥青混合料含水量。研究工作包括算法分析、微带环结构设计仿真、系统软硬件集成设计。混合料样本(含水量0~30%)测试显示测量分辨率≤0.1%,误差≤1%,系统响应时间≤100 ns。这种新型传感器体积小、功耗低、精度高,适合路面测量。 展开更多
关键词 沥青混合料 含水量检测 微带环传感器 介电常数 谐振频率
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High‑resolution silicon photonic sensor based on a narrowband microwave photonic flter
5
作者 Haiyan Luo Lu Xu +3 位作者 Jie Yan Qiansheng Wang Wenwu Wang Xi Xiao 《Frontiers of Optoelectronics》 EI CSCD 2023年第1期65-72,共8页
Microwave photonic sensors are promising for improving sensing resolution and speed of optical sensors.In this paper,a high-sensitivity,high-resolution temperature sensor based on microwave photonic flter(MPF)is propo... Microwave photonic sensors are promising for improving sensing resolution and speed of optical sensors.In this paper,a high-sensitivity,high-resolution temperature sensor based on microwave photonic flter(MPF)is proposed and demonstrated.A micro-ring resonator(MRR)based on silicon-on-insulator is used as the sensing probe to convert the wavelength shift caused by temperature change to microwave frequency variation via the MPF system.By analyzing the frequency shift with high-speed and high-resolution monitors,the temperature change can be detected.The MRR is designed with multi-mode ridge waveguides to reduce propagation loss and achieves an ultra-high Q factor of 1.01×10^(6).The proposed MPF has a single passband with a narrow bandwidth of 192 MHz.With clear peak-frequency shift,the sensitivity of the MPF-based temperature sensor is measured to be 10.22 GHz/℃.Due to higher sensitivity and ultra-narrow bandwidth of the MPF,the sensing resolution of the proposed temperature sensor is as high as 0.019℃. 展开更多
关键词 micro-ring resonator microwave photonic flter Silicon photonics microwave photonic sensor
原文传递
Si基微环谐振腔化学传感检测方法研究
6
作者 雷龙海 唐军 +2 位作者 张天恩 郭浩 刘俊 《传感器与微系统》 CSCD 2015年第10期32-34,47,共4页
提出了一种非标记光化学传感检测方法:光波导谐振谱检测,通过感应环形波导表面有效折射率变化进行化学传感;理论分析,并结合光学测试系统,利用此方法实现了微环谐振腔结构对Na Cl离子、结晶紫分子溶液的在线浓度测量,实验得到:其检测灵... 提出了一种非标记光化学传感检测方法:光波导谐振谱检测,通过感应环形波导表面有效折射率变化进行化学传感;理论分析,并结合光学测试系统,利用此方法实现了微环谐振腔结构对Na Cl离子、结晶紫分子溶液的在线浓度测量,实验得到:其检测灵敏度分别达181.47 pm/10-2,227 nm/(mol·L-1),证明了该方法可以应用于化学溶液检测领域。 展开更多
关键词 光波导谐振谱 微环谐振腔 化学传感器 非标记检测
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Si基双环谐振腔力敏传感特性研究
7
作者 焦克莹 《电子器件》 CAS 北大核心 2018年第4期863-866,共4页
为研究双环谐振腔结构力敏传感特性,设计了不同半径比的基于绝缘衬底上硅的双环微腔结构,通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真,得出半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa,而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 pm... 为研究双环谐振腔结构力敏传感特性,设计了不同半径比的基于绝缘衬底上硅的双环微腔结构,通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真,得出半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa,而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 pm/MPa,具有高的检测灵敏度,表明双环微腔敏感结构单元可应用于应力检测领域。 展开更多
关键词 微环谐振腔 绝缘体上硅 力敏检测 光波导
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串联双微环湿度传感器光谱特性研究
8
作者 郭士亮 胡春海 +1 位作者 李欣 王文娟 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第11期3152-3156,共5页
提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺(Polyimide,PI)湿度传感器,采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数,并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI波导吸收水... 提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺(Polyimide,PI)湿度传感器,采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数,并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI波导吸收水汽后折射率发生变化,从而引起微环输出光谱发生漂移,通过探测光谱漂移量来测湿度值,得到了串联双微环传感器的灵敏度和测量范围,并且分析了感湿部位不同时谐振器输出光谱特性。理论结果表明:串联不同半径的微环谐振器的自由光谱范围(FSR)要比单微环有所提高,而且串联双微环谐振器整体感湿比单个微环单独感湿的传感性能更优良,可作为最佳的湿敏元件。与传统的单微环传感器相比,串联不同半径的微环结构可提高系统的测量范围和灵敏度,半径为30和50μm的串联微环谐振器的FSR可达到0.15μm,传感器测量湿度范围为10%RH^80%RH,灵敏度可达到0.001 7μm·(%RH)-1。因此串联不同半径的双微环谐振器为制备成本低、结构简单、高灵敏度、可集成的微型湿度传感器件提供一定理论基础。 展开更多
关键词 串联微环谐振腔 湿度传感器 光谱测量 灵敏度
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基于光学微环谐振器的低频水下声压测量方法
9
作者 郭书生 李锋 《江苏科技大学学报(自然科学版)》 CAS 2018年第1期88-92,共5页
为满足低频水下声信号测量微型化、高灵敏和低成本的需求,采用有效折射率法、耦合模理论和时域有限差分方法,设计一种带有单微环谐振器的声压传感结构.低频水声信号向远处传播时产生声压,引起微环谐振器有效折射率变化,通过检测传感器... 为满足低频水下声信号测量微型化、高灵敏和低成本的需求,采用有效折射率法、耦合模理论和时域有限差分方法,设计一种带有单微环谐振器的声压传感结构.低频水声信号向远处传播时产生声压,引起微环谐振器有效折射率变化,通过检测传感器输出端谐振波长的漂移,实现对水声信号的检测.仿真得到声压传感器的灵敏度和探测极限,并分析输出端口的光谱特性.理论分析表明:微环谐振声压传感结构在受到低频水下声压作用时,在0~1 500μPa范围内,每当受到1μPa的声压,谐振波长漂移0.012 nm,最小可测量到10^(-5)nm的有效谐振波长漂移.该结构为制备高灵敏度高集成水听器设备提供理论参考. 展开更多
关键词 水声信号 微环谐振器 声压 传感器 谐振波长
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基于硅基微环传感器的电缆接头测温系统
10
作者 夏俊峰 牛荣泽 +2 位作者 周宏扬 孙建生 董轩 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2024年第7期13-18,24,共7页
传统电缆接头测温装置体积大,且不容易贴近接头,难以满足对电缆接头的测温需求,文中设计了一款基于硅基微环传感器的电缆接头测温系统,主要技术手段为:在微环的加热电极上施加余弦函数平方根形式的扰动电压,监测出光频率与扰动电压的同... 传统电缆接头测温装置体积大,且不容易贴近接头,难以满足对电缆接头的测温需求,文中设计了一款基于硅基微环传感器的电缆接头测温系统,主要技术手段为:在微环的加热电极上施加余弦函数平方根形式的扰动电压,监测出光频率与扰动电压的同频分量,获取频偏信号与温度的关系。文中进行了理论推导,并使用Python程序对理论进行仿真验证。在此基础上,搭建了实验验证平台,拟合了0~40℃下温度与频偏分量的关系,并进行了阶梯性升降温变化验证。实验结果表明:系统测温精度达到0.01℃,具有较高稳定性;且系统所需的设备简单,测温速度快,体积小,具有高的实用价值。 展开更多
关键词 电缆接头 温度计量 硅基微环传感器 快速检测 小型化 光学信号测温
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温度测量范围加倍的单微环传感器 被引量:1
11
作者 李欣 王禄娜 +2 位作者 郭士亮 李志全 杨明 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第15期189-194,共6页
本文提出了一种基于U形波导耦合单微环结构的新型SOI(绝缘体上硅)温度传感器.温度变化引起感温部位有效折射率和长度变化,导致传感器的输出光谱发生漂移.根据传输矩阵法和耦合模理论,设计了新型传感器模型,并且分析了感温部位不同时系... 本文提出了一种基于U形波导耦合单微环结构的新型SOI(绝缘体上硅)温度传感器.温度变化引起感温部位有效折射率和长度变化,导致传感器的输出光谱发生漂移.根据传输矩阵法和耦合模理论,设计了新型传感器模型,并且分析了感温部位不同时系统输出光谱特性.结果表明:当U形波导耦合单微环整体结构感温时,输出光谱无伪模,消光比达到31 dB,可作为最佳感温元件.相比于传统的双直波导耦合单微环结构,当U形波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍数时,FSR(自由光谱范围)可加倍至56 nm,灵敏度提高到89.2 pm/?C,测量范围为298—720 K,实现了SOI微环谐振器的高温测量. 展开更多
关键词 微环谐振器 温度传感器 测量范围
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基于光纤光栅器件的聚合物微环传感信号解调
12
作者 郎科伟 董兴法 《光通信研究》 北大核心 2011年第5期53-55,共3页
基于啁啾光纤光栅和长周期光栅,文章提出一种应用于聚合物微环传感器和微环传感器阵列的信号解调方法。通过调整长周期光栅的峰值波长来匹配感测范围,从而实现线性边沿滤波。该系统由全光纤器件组成,这种解调可以达到31 pm的高分辨率。... 基于啁啾光纤光栅和长周期光栅,文章提出一种应用于聚合物微环传感器和微环传感器阵列的信号解调方法。通过调整长周期光栅的峰值波长来匹配感测范围,从而实现线性边沿滤波。该系统由全光纤器件组成,这种解调可以达到31 pm的高分辨率。双通道系统中,每个通道的波长带宽为2.4 nm。 展开更多
关键词 微环传感器系统 啁啾光纤光栅 信号解调
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一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器
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作者 李志全 安东阳 +4 位作者 张鑫 赵玲玲 沙晓鹏 郭士亮 李文超 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第9期2660-2664,共5页
提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构,横向上采用U型微环结构,以聚酰亚胺(polyimide,PI)为感湿材料。根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数,外界环境的相对... 提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构,横向上采用U型微环结构,以聚酰亚胺(polyimide,PI)为感湿材料。根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数,外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化,从而多层波导结构的有效折射率发生改变,导致传感器的输出光谱发生漂移。重点分析讨论了多层波导结构的传输特性以及感湿部位折射率的变化对输出光谱的影响。根据计算和仿真得出:当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时,传感器的输出光谱水平漂移量较大,自由光谱范围(FSR)加倍,达到128nm,当外界环境相对湿度从10%RH变化到100%RH时,漂移量Δλm在0.005~0.038μm之间变化,相比于其他湿度传感器,灵敏度提高了10~50倍,高达0.0005μm/%RH,并且传输稳定。结果表明:设计的表面等离子微环传感器,灵敏度较好,性能稳定,可以应用于湿度测量,并且实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾大范围的滤波选频,为微型光学器件的制备提供了理论基础。 展开更多
关键词 表面等离子微环传感器 多层波导结构 传输矩阵法 灵敏度
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基于U型波导耦合单微环结构的高灵敏度湿度传感器
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作者 李志全 王禄娜 +1 位作者 李欣 张鑫 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期563-567,共5页
首次提出了一种基于U型波导耦合的新型单微环结构湿度传感器,该传感器以聚酰亚胺(polyimide,P1)作为感湿材料,当外界环境相对湿度变化时,引起感湿部位折射率的相应变化,导致传感器的输出光谱发生漂移。根据传输矩阵法推导U型波导耦合... 首次提出了一种基于U型波导耦合的新型单微环结构湿度传感器,该传感器以聚酰亚胺(polyimide,P1)作为感湿材料,当外界环境相对湿度变化时,引起感湿部位折射率的相应变化,导致传感器的输出光谱发生漂移。根据传输矩阵法推导U型波导耦合单微环结构的传递函数,重点讨论了不同感湿部位对输出光谱的影响,通过Matlab理论仿真,确定以U型波导耦合单微环结构整体作为最佳感湿部位。当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时,相比于传统的单微环结构,自由光谱范围(FSR)实现加倍。外界相对湿度从10%RH变化到100%RH时,传感器的输出光谱漂移量在0.027~0.191μm之间变化,灵敏度高达0.001 8μm/%RH,相比于具有高灵敏度的光纤光栅类湿度传感器,灵敏度提高了10~100倍,实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾谐振峰两侧大范围的滤波选频。 展开更多
关键词 U型波导耦合单微环结构 传输矩阵法 湿度传感器 灵敏度 FSR
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