利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，测试装置中的微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成，环形波导包括下包层、设置在下包层上的波导芯、以及涂覆在波导芯表面的敏感膜，敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。通过测量输出的光信号的中心波长，推算出相应的甲烷气体浓度。由于本发明专利技术的甲烷浓度测试装置及方法测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，因此入射光的角度以及材料自身所带来的对光强的衰减对本申请的测量并无影响，也使得利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法的测量准确度更高，结果更可靠。

【技术实现步骤摘要】
利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法
本专利技术涉及光学型传感器领域，尤其涉及一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法。
技术介绍
煤矿的开采需要在煤矿井下作用，在开采过程中，容易产生大量有害气体，其中，最容易产生安全事故，并威胁到矿工生命安全的是甲烷气体。为保证煤矿开采安全，检测甲烷气体成为开采煤矿时的重点。现有的甲烷气体的检测方法主要有催化燃烧型、半导体型、电化学型、光学型等。在现有的光学型传感器中，主要使用光纤光谱吸收型甲烷气体传感器检测甲烷气体浓度。其检测原理主要基于甲烷气体的吸收谱特性，通过光源穿过待测气体并测量透光光强或反射光强的变化，从而实现测量甲烷气体的浓度变化的目的。但是上述甲烷气体传感器对光纤的入射角及折射角有较高的要求，并且在单模光纤和多模光纤的交界处或弯折处均会产生光损耗，导致光强由于光纤本身的缺陷而存在减弱，进而影响甲烷气体浓度检测的精度，容易产生安全隐患。
技术实现思路
本专利技术提供一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，用于解决现有的测试方案中由于光纤自身缺陷而导致的影响甲烷浓度测试准确性的问题。本专利技术的第一个方面是提供一种利用光波导微环谐振器的测试甲烷浓度的测试装置，包括：衬底和放置在所述衬底上的微环谐振器；其中，所述微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成；所述环形波导设置于所述两条平行波导之间；所述环形波导包括下包层、设置在所述下包层上的波导芯、以及涂覆在所述波导芯表面的敏感膜，所述敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使所述环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。本专利技术的另一个方面是提供一种使用前述的甲烷浓度的测试装置进行甲烷浓度测试的方法，包括：将测试光源发出的光信号输入微环谐振器中两条平行波导中的其中一条，光信号通过在涂覆有敏感膜的环形波导中谐振后进入另一条平行波导，测量所述另一条平行波导输出的光信号的中心波长；根据公式(1)，计算所述微环谐振器中环形波导的有效折射率N：其中，m为输出的光信号中谐振级数，λm为输出的光信号中谐振级数为m的光信号的中心波长，R为环形波导的环形半径，；根据公式(2)，计算所述波导芯各表面外介质的折射率：：其中，n1为环形波导的波导芯的折射率，n2为环形波导的下包层的折射率，n3为所述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，n4为所述波导芯的上表面外介质的折射率，n5为所述波导芯的右侧壁表面外介质的折射率，a为波导芯的宽度，b为波导芯的厚度，λ为测试光源的中心波长；根据所述波导芯各表面外介质的折射率，获得敏感膜的折射率n，并根据公式(3)计算甲烷浓度C：n＝αC+β(3)其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。本专利技术提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法，通过在微环谐振器的环形波导的波导芯表面涂覆有只与甲烷气体发生作用的敏感膜，使微环谐振器的环形波导的有效折射率根据甲烷气体的浓度不同发生改变，并引起其内谐振后并输出的光信号的中心波长变化。通过测量输出的光信号的中心波长，推算出相应的甲烷气体浓度。由于本专利技术的甲烷浓度测试装置及方法测量的是输出的光信号的中心波长，不需要测量输出的光信号的光强度，入射光的角度以及材料自身所带来的对光强的衰减对本申请的测量并无影响。因此，本专利技术的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法的测量准确度更高，结果更可靠。附图说明图1为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的结构的正视图；图3为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图；图4为本专利技术实施例二提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图；图5为本专利技术实施例四提供的又一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量装置的结构示意图；图6为本专利技术实施例五提供的一种利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测试方法的流程示意图；图7为本专利技术实施例五中的矩型波导传输原理中的有效折射率的计算示意图；图8为本专利技术实施例五的敏感膜的折射率与甲烷浓度之间关系的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。图1为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置的结构示意图，图2为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的结构正视图，图3为本专利技术实施例一提供的利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置中的微环谐振器的环形波导的截面结构示意图。如图1所示，利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置包括：衬底20和放置在所述衬底上的微环谐振器10；衬底20可由硅材料制成，用于放置微环谐振器10，衬底20的尺寸需大于微环谐振器10的尺寸。其中，如图2所示，微环谐振器10由两条平行波导11和13以及一个环形波导12组成；环形波导12设置于两条平行波导11和13之间，使测试光源发出的光信号输入平行波导11中，光信号通过在环形波导12中谐振后进入平行波导13中，并输出；如图3所示，环形波导包括下包层123、设置在下包层123上的波导芯121、以及涂覆在波导芯121表面的敏感膜122。其中，环形波导12的下包层123可平铺在所述衬底20的表面，下包层123与波导芯121分别由不同材料的聚合物制成，波导芯121的折射率分别高于下包层123的折射率和敏感膜122的折射率，以保证环形波导12的正常工作。敏感膜122仅与甲烷气体发生作用，并使敏感膜122的折射率发生改变，当甲烷气体浓度增大时，敏感膜122的折射率变大，从而使环形波导12的有效折射率增大，因此环形波导12的有效折射率将随着甲烷浓度的增大而增大。具体来说，本专利技术是利用光波导的微环谐振器10对甲烷浓度进行测试。输入的光信号将从微环谐振器10的其平行波导11的A口输入，沿平行波导11传输至平行波导11与环形波导12临近的区域，并发生耦合，输入的光信号进入环形波导12中。而由于环形波导12的环形结构，输入的光信号将在不停的旋转并发生谐振，当围绕环形波导传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍数时，光信号将得到增加变为谐振后的光信号。而谐振后的光信号传输至环形波导12与平行波导13临近的区域时，再次发生耦合，进入平行波导13，并沿着平行波导13传输至B口，最终形成输出的光信号。其中，当光信号在环形波导12中发生谐振时，环形波导12的有效折射率的改变将使得谐振的光信号的中心波长发生改变，由于谐振的光信号的中心波长与输出的光信号中心波长相同，因此输出的光信号的中心波长也将受到环形波导12的有效折射率的影响。本专利技术将在环形波导12的波导芯121的表面涂覆有只与甲烷气体发生共价作用的敏感膜122。由于敏感膜122的折射率在不同浓度的甲烷气体中的变化不同，本专利技术正是利用敏感膜122的折射率随着甲烷气体浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置，其特征在于，包括：衬底和固定设置在所述衬底上的微环谐振器；其中，所述微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成；所述环形波导设置于所述两条平行波导之间；所述环形波导包括下包层、设置在所述下包层上的波导芯、以及涂覆在所述波导芯表面的敏感膜，所述敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使所述环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大。

【技术特征摘要】
1.一种使用甲烷浓度的测试装置进行甲烷浓度测试的方法，其特征在于，包括：所述甲烷浓度的测试装置包括衬底、固定设置在所述衬底上的微环谐振器和罩在所述衬底上的防尘罩；所述微环谐振器位于所述防尘罩中；其中，所述微环谐振器由两条平行波导和一个环形波导组成；所述环形波导设置于所述两条平行波导之间；所述环形波导包括下包层、设置在所述下包层上的波导芯、以及涂覆在所述波导芯表面的敏感膜，所述敏感膜用于与甲烷气体发生共价作用，以使所述环形波导的有效折射率随着甲烷浓度的增大而增大；所述环形波导包括矩型波导；所述敏感膜涂覆于所述波导芯的上表面、左侧壁表面和右侧壁表面中的一个或多个表面；所述敏感膜的厚度至少为0.5μm；所述敏感膜由穴番A溶液制成；所述波导芯的宽度和厚度均为1.5μm，所述下包层的厚度为1.5μm；所述环形波导与两条所述平行波导的间距分别为1μm；所述环形波导的环半径为12.5μm；两条所述平行波导的长度均为100μm；所述防尘罩由纳米材料制成，所述防尘罩的表面设置有预设孔径的通孔，用于使甲烷气体的分子进入所述防尘罩内与所述敏感膜发生作用；所述方法包括：将测试光源发出的光信号输入微环谐振器中两条平行波导中的其中一条，光信号通过在涂覆有敏感膜的环形波导中谐振后进入另一条平行波导，测量所述另一条平行波导输出的光信号的中心波长；根据公式(1)，计算所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文清，王晓璐，牛小铁，任安祥，张春芝，田柏林，任凤国，李萍，陈耕，王婉琳，
申请(专利权)人：北京市煤炭矿用机电设备技术开发有限公司，北京工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：北京;11