基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及谐振式磁传感器，具体是一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。本发明专利技术解决了现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题。基于片上集成谐振腔的磁传感装置，包括信号发生器、1550nm激光器、偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、磁传感单元、单模光纤B、光电探测器、频谱仪、微波发生器；所述磁传感单元包括玻璃基片、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、钇铁石榴石盘形微腔、集成微波天线、紫外胶水层A、紫外胶水层B、紫外胶水层C；信号发生器的信号输出端与1550nm激光器的电压调谐端连接；1550nm激光器的出射端通过偏振控制器与光纤偏振分束器的入射端连接。本发明专利技术适用于磁场的测量。磁场的测量。磁场的测量。

【技术实现步骤摘要】
基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及谐振式磁传感器，具体是一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。

技术介绍

[0002]谐振式磁传感器因其具有抗干扰能力强的优点，而被广泛应用于磁场的测量。在现有技术条件下，谐振式磁传感器普遍基于F
‑
P谐振腔进行工作。但在实际应用中，由于F
‑
P谐振腔的品质因数较低，导致现有谐振式磁传感器存在灵敏度较低的问题。基于此，有必要专利技术一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法，以解决现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题，提供了一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置及测量方法。
[0004]本专利技术是采用如下技术方案实现的：基于片上集成谐振腔的磁传感装置，包括信号发生器、1550nm激光器、偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、磁传感单元、单模光纤B、光电探测器、频谱仪、微波发生器；所述磁传感单元包括玻璃基片、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、钇铁石榴石盘形微腔、集成微波天线、紫外胶水层A、紫外胶水层B、紫外胶水层C；氮化硅波导耦合芯片通过紫外胶水层A固定于玻璃基片的上表面；集成耦合波导铺设于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且集成耦合波导的首端和尾端分别与氮化硅波导耦合芯片的左边缘和右边缘齐平；钇铁石榴石盘形微腔固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且钇铁石榴石盘形微腔与氮化硅波导耦合芯片耦合；集成微波天线固定于钇铁石榴石盘形微腔的上表面；信号发生器的信号输出端与1550nm激光器的电压调谐端连接；1550nm激光器的出射端通过偏振控制器与光纤偏振分束器的入射端连接；光纤偏振分束器的出射端通过单模光纤A与集成耦合波导的首端连接，且单模光纤A的尾部通过紫外胶水层B固定于玻璃基片的上表面；集成耦合波导的尾端通过单模光纤B与光电探测器的入射端连接，且单模光纤B的首部通过紫外胶水层C固定于玻璃基片的上表面；光电探测器的信号输出端与频谱仪的信号输入端连接；微波发生器的信号输出端与集成微波天线的信号输入端连接。
[0005]所述磁传感单元还包括线圈；线圈固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面，且线圈位于钇铁石榴石盘形微腔的旁侧。
[0006]所述1550nm激光器采用连续可调谐窄带激光器。
[0007]所述氮化硅波导耦合芯片是在3.3μm厚的二氧化硅缓冲层上制造的330nm厚的氮化硅膜；所述集成耦合波导的宽度为3.8
µ
m，与单模光纤的平均场大小相匹配。
[0008]所述钇铁石榴石盘形微腔采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技
术对钇铁石榴石晶体进行切削，得到直径为5mm、厚度为0.35mm的钇铁石榴石晶体圆片；然后，利用抛光纸和抛光液对钇铁石榴石晶体圆片进行抛光，由此制得钇铁石榴石盘形微腔。
[0009]钇铁石榴石盘形微腔通过刻蚀工艺固定于氮化硅波导耦合芯片的上表面；钇铁石榴石盘形微腔与氮化硅波导耦合芯片通过倏逝波耦合，且耦合状态为过耦合。
[0010]集成微波天线通过金属镶嵌工艺固定于钇铁石榴石盘形微腔的上表面。
[0011]基于片上集成谐振腔的磁测量方法（该方法是基于本专利技术所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：首先，控制传感装置进入工作模式；工作模式具体为：信号发生器输出信号，信号传输至1550nm激光器，使得1550nm激光器发出1550nm波段的泵浦光，泵浦光依次经偏振控制器、光纤偏振分束器、单模光纤A、集成耦合波导、氮化硅波导耦合芯片、钇铁石榴石盘形微腔、氮化硅波导耦合芯片、集成耦合波导、单模光纤B入射到光电探测器，然后经光电探测器转换为电信号；电信号传输至频谱仪，并经频谱仪转换为谐振谱；同时，微波发生器通过集成微波天线发射微波场，微波场激发出钇铁石榴石盘形微腔中的磁子模式；在工作模式下，当磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔时，钇铁石榴石盘形微腔内发生磁光耦合，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差，并将边带与主带的频率差代入传感装置的磁场测量方程，由此计算出磁场强度；所述传感装置的磁场测量方程表示如下：ω
m
=γH；式中：ω
m
表示边带与主带的频率差；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π
×
2.8MHz/Oe；H表示磁场强度。
[0012]该方法还包括利用线圈来判断传感装置的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：首先，控制传感装置进入工作模式；在工作模式下，外接电压源或外接电流源通过线圈输出强度已知的磁场；磁场作用于钇铁石榴石盘形微腔，使得谐振谱产生两个对称边带；此时，读取边带与主带的频率差；然后，一方面根据边带与主带的频率差和磁场强度计算出传感装置的灵敏度测试值，另一方面计算出传感装置的灵敏度标准值；具体计算公式如下：S0=ω
m
/H；S=γ；式中：S0表示传感装置的灵敏度测试值；ω
m
表示边带与主带的频率差；H表示磁场强度；S表示传感装置的灵敏度标准值；γ表示钇铁石榴石盘形微腔的旋磁比，其大小为γ=2π
×
2.8MHz/Oe；然后，将传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感装置的性能指标是否符合要求：若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值吻合，则表明传感装置的性能指标符合要求；若传感装置的灵敏度测试值与传感装置的灵敏度标准值不吻合，则表明传感装置的性能指标不符合要求。
[0013]与现有谐振式磁传感器相比，本专利技术不再基于F
‑
P谐振腔进行工作，而是基于钇铁石榴石盘形微腔进行工作，由此具备了灵敏度高的优点。具体而言，由于钇铁石榴石盘形微
腔具有超高的品质因数和极小的模式体积，使得本专利技术具备了超高的灵敏度和良好的稳定性。
[0014]本专利技术结构合理、设计巧妙，有效解决了现有谐振式磁传感器灵敏度较低的问题，适用于磁场的测量。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的结构示意图。
[0016]图2是本专利技术的部分结构示意图。
[0017]图中：1
‑
信号发生器，2
‑
1550nm激光器，3
‑
偏振控制器，4
‑
光纤偏振分束器，5
‑
单模光纤A，6
‑
磁传感单元，601
‑
玻璃基片，602
‑
氮化硅波导耦合芯片，603
‑
集成耦合波导，604
‑
钇铁石榴石盘形微腔，605
‑
集成微波天线，606
‑
紫外胶水层A，607
‑
紫外胶水层B，608
‑
紫外胶水层C，609
‑
线圈，7
‑
单模光纤B，8
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：包括信号发生器（1）、1550nm激光器（2）、偏振控制器（3）、光纤偏振分束器（4）、单模光纤A（5）、磁传感单元（6）、单模光纤B（7）、光电探测器（8）、频谱仪（9）、微波发生器（10）；所述磁传感单元（6）包括玻璃基片（601）、氮化硅波导耦合芯片（602）、集成耦合波导（603）、钇铁石榴石盘形微腔（604）、集成微波天线（605）、紫外胶水层A（606）、紫外胶水层B（607）、紫外胶水层C（608）；氮化硅波导耦合芯片（602）通过紫外胶水层A（606）固定于玻璃基片（601）的上表面；集成耦合波导（603）铺设于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且集成耦合波导（603）的首端和尾端分别与氮化硅波导耦合芯片（602）的左边缘和右边缘齐平；钇铁石榴石盘形微腔（604）固定于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且钇铁石榴石盘形微腔（604）与氮化硅波导耦合芯片（602）耦合；集成微波天线（605）固定于钇铁石榴石盘形微腔（604）的上表面；信号发生器（1）的信号输出端与1550nm激光器（2）的电压调谐端连接；1550nm激光器（2）的出射端通过偏振控制器（3）与光纤偏振分束器（4）的入射端连接；光纤偏振分束器（4）的出射端通过单模光纤A（5）与集成耦合波导（603）的首端连接，且单模光纤A（5）的尾部通过紫外胶水层B（607）固定于玻璃基片（601）的上表面；集成耦合波导（603）的尾端通过单模光纤B（7）与光电探测器（8）的入射端连接，且单模光纤B（7）的首部通过紫外胶水层C（608）固定于玻璃基片（601）的上表面；光电探测器（8）的信号输出端与频谱仪（9）的信号输入端连接；微波发生器（10）的信号输出端与集成微波天线（605）的信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述磁传感单元（6）还包括线圈（609）；线圈（609）固定于氮化硅波导耦合芯片（602）的上表面，且线圈（609）位于钇铁石榴石盘形微腔（604）的旁侧。3.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述1550nm激光器（2）采用连续可调谐窄带激光器。4.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述氮化硅波导耦合芯片（602）是在3.3μm厚的二氧化硅缓冲层上制造的330nm厚的氮化硅膜；所述集成耦合波导（603）的宽度为3.8
µ
m，与单模光纤的平均场大小相匹配。5.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：所述钇铁石榴石盘形微腔（604）采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对钇铁石榴石晶体进行切削，得到直径为5mm、厚度为0.35mm的钇铁石榴石晶体圆片；然后，利用抛光纸和抛光液对钇铁石榴石晶体圆片进行抛光，由此制得钇铁石榴石盘形微腔（604）。6.根据权利要求1所述的基于片上集成谐振腔的磁传感装置，其特征在于：钇铁石榴石盘形微腔（604）通过刻蚀工艺固定于氮化硅波导耦合芯片（...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢恩博，张德炜，戎佳敏，李利，唐军，刘俊，
申请(专利权)人：晋城市光机电产业协调服务中心晋城市光机电产业研究院，
类型：发明
国别省市：