则为
[0063] 环形波导12的有效折射率也将变为：
[0065] 将利用谐振条件求出的环形波导12的有效折射率N代入到环形波导12的有效折 射率的表达式中，得到波导芯121各个表面的折射率。
[0066] 当敏感膜122涂覆于波导芯121的上表面及左右侧壁表面时，波导芯121的折射 率Ii1= 1. 6278 ;下包层123的折射率η 2= 1. 465 ;波导芯121的上表面及左右侧壁表面 均涂覆敏感膜122,其折射率为η，即η3= η 4= η 5= η ;波导芯121的宽度和厚度a = b = 1·5μπι;测试光源的中心波长λ = 1·550 μπι。
[0067] 通过敏感膜122的折射率η与相关波导芯121各表面介质的折射率的位置关系的 对应，得出敏感膜122的折射率η。
[0068] 需要说明的是，本领域技术人员可根据具体情况对介质材料进行改变，同时对步 骤503的计算过程进行改进，例如：当敏感膜122仅涂覆在波导芯121上表面时，此时，波导 芯121的上表面外介质的折射率η4= η ;波导芯121的左侧壁表面外介质和右侧壁表面外 介质均为空气，其折射率为η3= η 5= 1。而当敏感膜122仅涂覆在波导芯121左右侧壁表 面时，此时，波导芯121的上表面外介质为空气，其折射率为n4= 1 ;波导芯121的左侧壁表 面外介质和右侧壁表面外介质均为敏感膜122,其折射率为η3= η 5= η。
[0069] 步骤504、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 :
[0070] n = a C+ β (3)
[0071] 其中，所述α为预设的第一参数，β为预设的第二参数。
[0072] 图8为本发明实施例五提供的敏感膜122的折射率与甲烷浓度之间的关系。经过 研究人员对敏感膜122的折射率与甲烷浓度的关系的研究可知，敏感膜122的折射率与甲 烷浓度成线性关系，可用关系式η = aC+β表示，其中，所述α为预设的第一参数，β为 预设的第二参数。
[0073] 例如，如图8所示，通过预先测试可得出该装置敏感膜与折射率η与甲烷浓度C之 间的关系方程为m = 0· 053C+1. 412。
[0074] 将上述得出的敏感膜122的折射η代入其中，并得出甲烷浓度C :
[0075] 经过上述步骤，测得的输出的光信号的中心波长1. 5683 μπι，计算出的甲烷 浓度C为15%。
[0076] 需要说明的是，在本发明实施例五提供的利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的 测试方法中，在每次测量甲烷浓度前，需将测试装置放置于甲烷浓度为0%的环境中进行谐 振波长参考值的测量。具体的，可将甲烷浓度测试装置放在空气流通的地方，并获得甲烷 浓度为〇%时输出光信号的中心波长。当实际测量甲烷浓度时，需要使所测得的输出的光 信号的中心波长Ani与甲烷浓度为〇%时的输出光信号的中心波长的波长差，小于微环谐 振器10的自由光谱区的数值。例如，在上述实施例五中的自由光谱区的数值为18. 13nm， 而在预先测得的甲烷浓度为〇%时的输出光信号的中心波长为1.5674 μπι，其与测得甲烷 浓度为15%时的输出的光信号的中心波长λη的波长差为〇. 9nm，小于自由光谱区的数值 18. 13nm，因此结果是准确可信的。而若上述波长差大于自由光谱区的数值18. 13nm时，则 会由于无法判定测得的输出的光信号属于哪一个谐振峰，对测量结果产生较大影响。
[0077] 本发明实施例五提供利用光波导微环谐振器测量甲烷浓度的测量方法，通过在微 环谐振器10的环形波导12的波导芯121表面涂覆有只与甲烷气体发生作用的敏感膜122， 使环形波导的12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，计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方法的测量 准确度更高，结果更可靠。
[0078] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征 进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技 术方案的范围。
【主权项】
1. 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。2. 根据权利要求1所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于， 所述环形波导包括矩型波导。3. 根据权利要求2所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于， 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。4. 根据权利要求1-3中任一项所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于， 所述敏感膜的厚度至少为〇. 5ym。5. 根据权利要求1-3中任一项所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，所述敏感膜 由穴番A溶液制成。6. 根据权利要求2或3所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于， 所述波导芯的宽度和厚度均为I. 5ym，所述下包层的厚度为I. 5ym; 所述环形波导与两条所述平行波导的间距分别为Iym; 所述环形波导的环半径为12. 5ym; 两条所述平行波导的长度均为100ym。7. 根据权利要求1所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，还包括： 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。8. 根据权利要求7所述的甲烷浓度的测试装置，其特征在于，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。9. 一种使用如权利要求1-8中任一项所述的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： 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，Ani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，Ii1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，A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=aC+ 0 (3) 其中，所述a为预设的第一参数，0为预设的第二参数。10.根据权利要求9所述的甲烷浓度的测试方法，其特征在于， 所述测试光源为激光，所述激光的中心波长为1. 55ym。
【专利摘要】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，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。
【IPC分类】G01N21/41
【公开号】CN105044031
【申请号】CN201510546892
【发明人】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
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月31日