利用光波导微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明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；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 本发明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：
[0010] 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；
[0011] 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 :
[0013] 其中，m为输出的光信号中谐振级数，λ A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，；
[0014] 根据公式（2)，计算所述波导芯各表面外介质的折射率：：
[0016] 其中，Ii1为环形波导的波导芯的折射率，η 2为环形波导的下包层的折射率，η 3为所 述波导芯的左侧壁表面外介质的折射率，η4为所述波导芯的上表面外介质的折射率，η 5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；
[0017] 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η，并根据公式（3) 计算甲烷浓度C :
[0018] η = α C+β (3)
[0019] 其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。
[0020] 本发明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。 由于本发明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，本发明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】
[0021] 图1为本发明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；
[0022] 图2为本发明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；
[0023] 图3为本发明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；
[0024] 图4为本发明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；
[0025] 图5为本发明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；
[0026] 图6为本发明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；
[0027] 图7为本发明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；
[0028] 图8为本发明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】
[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明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。
[0030] 图1为本发明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为本发明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为本发明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。
[0031] 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。
[0032] 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；
[0033] 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。
[0034] 具体来说，本发明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。
[0035] 本发明将在环形波导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，本发明正是 利用敏感膜122的折射率随着甲烷气体浓度的增加而增大的这一特性在敏感膜122折射率 和甲烷气体浓度之间建立关系，从而完成对甲烷气体浓度的测量。
[0036] 本发明的实施例一提供一种利用光波导的微环谐振器测试甲烷浓度的测试装置， 通过微环谐振器10的环形波导12的波导芯121表面涂覆只与甲烷气体发生作用的敏感膜 122,使微环谐振器10的环形波导12的有效折射率根据甲烷气体的浓度不同发生改变，并 引起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。由于本发明的甲烷浓度测试装置测量的是输出的光信号的