基于SNAP结构微腔的位移传感特性研究

陈 剑 董永超 王 晗 孙鹏辉

广东工业大学机电工程学院 广东 广州 510006

1 引言

回音壁模式光学微腔以其高质量因数和较小模式体积的优点,近年来在传感领域引起了广泛的研究[1,2],比如在生物传感[3],温度传感[4],以及压力和位移传感[5-7],当特定波长的光进入微腔时,光通过全内反射在狭窄的环内传播并在绕行一周后相互叠加增强,这样就形成了回音壁模式。WGM微腔与光波导组成耦合系统可以高效激发内部回音壁模式,由产生谐振的光波构成微腔的谐振谱。其谐振谱特征由光纤尺寸、微腔结构和耦合条件决定,改变耦合位置可以改变谐振谱中各谐振模式的耦合状态,表现为中心波长偏移、透过率和Q值得变化等,研究谐振谱的变化规律可以实现基于微腔耦合系统的位移传感。2011年,英国阿斯顿大学M.Sumetsky首次提出了SNAP结构微腔的概念,并给出了其分析理论模型,相较于其他WGM微腔中光的全内反射,SNAP微腔中的光在角动量势垒定义的两个焦散点之间来回循环震荡,这使得微腔的模式场分布在轴向上明显增长[8-11]。

综上,为了实现大量程、高灵敏度,的微腔传感测量,本文首先计算SNAP腔的模式谱。该传感原理如图1所示。宽带光源通过光纤锥耦合进入SNAP微腔,在腔体内激发出多个轴向模式,其透过谱表现为多个谐振峰,当SNAP微腔进行轴向移动时会改变谐振峰的Q值和谐振波长,进而实现微腔轴向位置传感。

图1 SNAP位移检测原理

2 理论模型介绍

2.1 SNAP腔模式理论SNAP微腔的有效半径变化可以看曲线,其近似轮廓可以用下面的公式来表示[10,11]: