一种非厄米奇异点光学微腔磁场传感器

摘要

本发明公开了一种非厄米奇异点光学微腔磁场传感器。宽谱光源的输出端依次经模斑转换器、单向隔离器后与磁场敏感单元的输入端连接，磁场敏感单元的输出端和微型光谱仪连接；磁场敏感单元包括输入输出波导、两个相同的“8”字形波导微腔和磁致伸缩材料层，输入输出波导同一侧耦合布置两个“8”字形波导微腔，“8”字形波导微腔包括中间的十字形波导和两个开口环波导，十字形波导是由两根直波导在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导分别连接两个开口环波导的两端，一个“8”字形波导微腔下面设有磁致伸缩材料层。本发明构造了一个二阶非厄米系统，利用非厄米系统奇异点探测灵敏度高的优势，具有体积小、易于封装集成的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学和磁场探测领域的一种磁场传感器，具体涉及一种非厄米奇异点光学微腔磁场传感器。

背景技术

磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成直观信号输出的装置。磁场与自然界和人类社会生活的许多方面息息相关。人工设置的永久磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，磁场以及其中蕴含的各种信息的探测、采集、储存、转换、监控等任务就落在了磁场传感器身上。磁场传感器已成为信息社会中信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已基于各种物理、化学和生物效应研制出各种磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起信息探测的任务。

目前具有代表性的磁场探测系统主要有光泵磁强计、磁通门磁强计、超导量子干涉仪型磁强计以及光纤磁场传感器。相比基于其他原理的测磁手段，光学方法测磁因其具有可靠性好、结构紧凑体积小、稳定不受电磁干扰等优良特点而具有广阔的前景，但其仍存在精度不够高，灵敏度达不到要求的问题。

近年来，随着微纳光学领域研究的深入，非厄米光学系统的研究开始步入人们的视野，不同于传统的厄米光学系统，非厄米系统是与外界具有能量交换或具有增益、损耗的系统，其物理量可以用非厄米算符描述。非厄米系统与厄米系统的本质区别在于非厄米系统存在奇异点(即exceptional point，后文均称之为奇异点)。奇异点是非厄米系统的简并点，在该点，系统的本征值的实部和虚部同时相等，本征值和本征态同时发生简并，本征态不再能构成完备的基矢。奇异点附近常有相位突变、能级交叉、排斥等异常光学现象，因此在单向传输、损耗诱导透明、超灵敏传感等诸多领域有重要的应用。基于奇异点的超灵敏光学传感，是目前非厄米光学领域的研究热点，其在粒子检测、温度传感、折射率传感、转速测量等方面均有不同程度的应用。此外，随着微纳加工工艺的发展，研究人员已具备在片上构建非厄米光学系统的能力，将非厄米光学系统应用在磁场探测领域，在保持光学方法测磁固有优势的同时进一步提高灵敏度已成为可能。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明针对非厄米光学系统，提出了一种体积小、精度高、易于封装集成的基于非厄米奇异点的光学微腔磁场传感器。

本发明的磁场传感器利用双”8”字形波导微腔构建非厄米光学系统，在初始状态下调整两个微腔之间的耦合系数使其处在非厄米系统奇异点，其中一个”8”字形波导微腔的二氧化硅缓冲层下方设置有磁致伸缩材料，当系统处在磁场中时，磁致伸缩材料受到磁场作用发生纵向扩张，引起两个微腔之间耦合系数的变化，引起输出谱的变化。通过检测输出谱得到外部的磁场信息，本发明利用非厄米系统奇异点对外界微扰敏感的特点，进一步提高了测磁手段的探测灵敏度。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括在封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器、磁场敏感单元和微型光谱仪；宽谱光源的输出端依次经模斑转换器、单向隔离器后和磁场敏感单元的输入端连接，磁场敏感单元的输出端和微型光谱仪连接；所述宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器和微型光谱仪均布置在铌酸锂薄膜层上，所述的磁场敏感单元中的一部分是由铌酸锂薄膜层刻蚀形成，所述的磁场敏感单元中的另一部分布置在铌酸锂薄膜层之下。

所述的磁场敏感单元主要由输入输出波导、两个相同的“8”字形波导微腔和磁致伸缩材料层组成，输入输出波导两端分别连接单向隔离器和微型光谱仪，输入输出波导同一侧旁布置两个“8”字形波导微腔，两个“8”字形波导微腔的长轴方向重合位于沿垂直于输入输出波导方向的同一直线方向，两个“8”字形波导微腔之间以及靠近输入输出波导的“8”字形波导微腔和输入输出波导之间均耦合连接；所述的“8”字形波导微腔是由位于中间的十字形波导和位于两侧的两个开口环波导构成，十字形波导是由两根直波导在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导的一端分别连接在一个开口环波导的两端，两根直波导的另一端分别连接在另一个开口环波导的两端；远离输入输出波导的“8”字形波导微腔正下方设有磁致伸缩材料层，靠近输入输出波导的“8”字形波导微腔正下方不设有磁致伸缩材料层。

所述的铌酸锂薄膜层布置在二氧化硅缓冲层上，二氧化硅缓冲层布置在硅衬底上，所述磁场敏感单元的输入输出波导和“8”字形波导微腔均是由铌酸锂薄膜层刻蚀制作形成，输入输出波导和“8”字形波导微腔位于二氧化硅缓冲层上表面。

所述的磁致伸缩材料层位于二氧化硅缓冲层之下和硅衬底之上。

所述的宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器依次沿光路方向布置，宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器均位于二氧化硅缓冲层上表面。

两个“8”字形波导微腔的腔长相同，具有相同的谐振频率。

光经过输入输出波导通过倏逝波耦合进入两个“8”字形波导微腔，且在两个“8”字形波导微腔之间的耦合也通过倏逝波完成【，耦合系数通过控制输入输出波导和“8”字形微腔之间的间距来调整】。

磁致伸缩材料感知磁场变化产生变形驱动自身正上方的“8”字形波导微腔变形【，“8”字形微腔之间发生垂直于微腔平面的错位】，进而影响两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数，使得经过两个“8”字形波导微腔的光传输回到输入输出波导中被微型光谱仪探测接收到，根据微型光谱仪探测接收到的光信号进行解析实现磁场的检测。

本发明提出了一种非厄米奇异点光学微腔磁场传感器，利用本发明有利于提高磁场传感器的集成度，本发明利用非厄米光学系统奇异点对外界微扰灵敏的性质，在维持光学测磁方法优势的同时进一步提高了系统的灵敏度，有望解决光学测磁存在的探测灵敏度不够的问题。在敏感单元结构设计中，采用“8”字形波导微腔的设计，使光在微腔中环绕一圈同时具备顺时针、逆时针两个状态，抵消了地球转动或应用环境的转动带来的Sagnac效应对测量的影响。本发明结构简单，集成度高，有望成为光学测磁的一种全新方法。

本发明的有益效果：

本发明将所有器件均集成在硅衬底上，相比分立器件的光学测量手段降低了磁场传感器的体积，集成度高体积小，适于批量生产。

本发明构造了一个二阶非厄米系统，利用非厄米系统奇异点探测灵敏度高的优势，具有体积小、易于封装集成的特点。且构建了具有增益和损耗系数的两个耦合腔，利用非厄米系统奇异点对外界扰动敏感的特点，在维持光学测磁原有优点的前提下进一步提高了磁场传感器的灵敏度。

本发明构建的两个耦合微腔具有“8”字形结构，从原理上消除了地球自转和传感器应用环境中可能存在的转动带来的Sagnac效应对微腔谐振频率的影响，排除了陀螺效应对非厄米系统奇异点的干扰，提高了传感器的信噪比。

本发明的”8”字形波导微腔结构中的两段直波导互相垂直，使光在一段直波导中传输时不耦合进入另一段直波导，保证了“8”字微腔中光的单向传输。

附图说明

图1是本发明的非厄米光学微腔磁场传感器整体结构示意图；

图2是本发明中磁场敏感单元结构示意图；

图3是本发明中输出谱随”8”字形波导微腔之间耦合系数的变化图。

图中：1、宽谱光源，2、模斑转换器，3、单向隔离器，4、磁场敏感单元，5、微型光谱仪，6、封装外壳，7、”8”字形波导微腔，8、铌酸锂薄膜层，41、输入输出波导，42、开口环波导，43、直波导，44、二氧化硅缓冲层，45、硅衬底，46、磁致伸缩材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

【如图1所示，具体实施的磁场传感器】包括在封装外壳6内的宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3、磁场敏感单元4和微型光谱仪5；宽谱光源1的输出端依次经模斑转换器2、单向隔离器3后和磁场敏感单元4的输入端连接，磁场敏感单元4的输出端和微型光谱仪5连接；宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3和微型光谱仪5均位于二氧化硅缓冲层44上表面，磁场敏感单元4中的传光部分是由铌酸锂薄膜层8刻蚀形成，磁场敏感单元4中感知磁场的磁致伸缩材料层46布置在二氧化硅缓冲层44下方。

【如图2所示，】磁场敏感单元4主要由输入输出波导41、两个相同的“8”字形波导微腔7和磁致伸缩材料层46组成，【输入输出波导41为直波导，输入输出波导41一端作为磁场敏感单元4的输入端，输入输出波导41另一端作为磁场敏感单元4的输出端，】输入输出波导41两端分别连接单向隔离器3和微型光谱仪5，输入输出波导41同一侧旁【依次】布置两个“8”字形波导微腔7，两个“8”字形波导微腔7的长轴方向重合位于沿垂直于输入输出波导41方向的同一直线方向，两个“8”字形波导微腔7之间以及靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔7和输入输出波导41之间均耦合连接；

“8”字形波导微腔7是由位于中间的十字形波导和位于两侧的两个开口环波导42构成，十字形波导是由两根直波导43在各自中点处垂直正交交叉布置形成，两根直波导43的一端分别连接在一个开口环波导42的两端，两根直波导43的另一端分别连接在另一个开口环波导42的两端；【这使得两个开口环波导42在十字形波导两侧对称布置，两个开口环波导42中点之间的连线即为“8”字形波导微腔7的长轴方向，】【“8”字形波导微腔是该磁场传感器最重要的敏感结构。】

远离输入输出波导41的“8”字形波导微腔7正下方设有磁致伸缩材料层46，靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔7正下方不设有磁致伸缩材料层46【，磁致伸缩材料46用以感知磁场的变化】。

【这样，磁场敏感单元4其中一个”8”字形波导微腔7下方设置有磁致伸缩材料46，磁致伸缩材料46位于二氧化硅缓冲层44下方，并与最下方的硅衬底45相接触。】

铌酸锂薄膜层8布置在二氧化硅缓冲层44上，二氧化硅缓冲层44布置在硅衬底45上，磁场敏感单元4的输入输出波导41和“8”字形波导微腔7【作为传光部分，】均是由铌酸锂薄膜层8刻蚀制作形成，输入输出波导41和“8”字形波导微腔7位于二氧化硅缓冲层44上表面。

磁致伸缩材料层46位于二氧化硅缓冲层44之下和硅衬底45之上【，即位于二氧化硅缓冲层44和硅衬底45之间】。

【除上述磁场敏感单元4所在的区域位置以外，传感器其余部分结构均由铌酸锂薄膜层8、二氧化硅缓冲层44、硅衬底45由上至下依次层叠而成。】

【制作时候首先将铌酸锂薄膜层8、二氧化硅缓冲层44、硅衬底45、磁致伸缩材料层46层叠布置在相应位置，在铌酸锂薄膜层8上相应位置划出一块区域用于布置磁场敏感单元4，在区域中刻蚀出磁场敏感单元4的输入输出波导41和“8”字形波导微腔7，然后在其余部分的铌酸锂薄膜层8也过刻蚀低于输入输出波导41和“8”字形波导微腔7后布置上宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3和微型光谱仪5。】

宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3依次沿光路方向布置，宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器3均位于二氧化硅缓冲层44上表面。【单向隔离器3的输出端与磁场敏感单元4的输入端相连，磁场敏感单元4的输出端与微型光谱仪5的输入端相连。】

【宽谱光源1产生的光经过模斑转换器2后经单向隔离器3的输出端进入磁场敏感单元4的输入端，光经磁场敏感单元4输出到微型光谱仪中5，经微型光谱仪中5探测到的光分析处理获得透射-频率谱。

单向隔离器3用于隔离磁场敏感单元4中的背向散射光。】

两个“8”字形波导微腔7的腔长相同，具有相同的谐振频率。

【”8”字形波导微腔中，相互垂直的两根直波导43垂直正交布置形成“8”字形结构，两段直波导互相垂直确保光在通过直波导时不会从其中一段直波导耦合进入另一段直波导中，使光在传输的过程中不发生耦合，光在腔中传输过程中同时具有顺时针部分和逆时针部分，以消除地球自转以及其他转动带来的Sagnac效应对腔谐振频率的影响。】

【磁场敏感单元4的两个“8”字形波导微腔中的一个具有损耗，另一个具有和损耗相同大小的增益，形成非厄米系统。

两个“8”字形波导微腔通过倏逝波相互耦合，初始状态下两者的间距经过精确的调整，使得两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数与损耗系数相同，“8”字形波导微腔的之间的耦合系数与引入的增益系数和损耗系数相匹配，使初始的无磁场状态下非厄米系统处在非厄米系统奇异点，形成对外界微扰的敏感性。】

光经过输入输出波导41通过倏逝波耦合进入两个“8”字形波导微腔7，且在两个“8”字形波导微腔7之间的耦合也通过倏逝波完成。

【以靠近输入输出波导41的“8”字形波导微腔7作为第一个“8”字形波导微腔7，以远离输入输出波导41的“8”字形波导微腔7作为第二个“8”字形波导微腔7：光沿输入输出波导41传输，在经过第一个“8”字形波导微腔7和输入输出波导41之间耦合处后通过倏逝波先耦合进入第一个“8”字形波导微腔7，经第一个“8”字形波导微腔7的一侧单边S形波导传输到第一个“8”字形波导微腔7和第二个“8”字形波导微腔7之间耦合处通过倏逝波耦合到第二个“8”字形波导微腔7，再经第二个“8”字形波导微腔7的完整“8”字形传输回到第一个“8”字形波导微腔7和第二个“8”字形波导微腔7之间耦合处，经倏逝波耦合回到第一个“8”字形波导微腔7，再经第一个“8”字形波导微腔7的另一侧单边S形波导传输到第一个“8”字形波导微腔7和输入输出波导41之间耦合处，耦合回到输入输出波导41，从而完成一个循环传输过程。光传输过程中不断循环往复上述循环传输过程实现光经过磁场敏感单元4后的透射谱受两个“8”字形波导微腔7的耦合系数变化的影响。】

磁致伸缩材料46感知磁场变化产生变形驱动自身正上方的“8”字形波导微腔7变形，使得两个“8”字形波导微腔7在垂直腔平面方向上发生错位，进而影响两个“8”字形波导微腔7之间的耦合系数，使得经过两个“8”字形波导微腔7传输回到输入输出波导41中被微型光谱仪5探测接收到的光信号发生变化，根据微型光谱仪5探测接收到的光信号进行解析实现磁场的检测。

【磁致伸缩材料仅存在于磁场敏感单元的其中一个“8”字形波导微腔中，且在磁场环境下仅发生纵向长度变化，磁场仅影响两个“8”字形波导微腔相互的耦合系数。磁场敏感单元的其余部分不存在磁致伸缩材料，从上到下的结构分别为铌酸锂薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底。

磁致伸缩材料46用于感知磁场变化发生纵向伸缩，两个“8”字形波导微腔耦合部分错开一定距离，改变两者的耦合系数，构成对非厄米系统奇异点的扰动，引起传感器输出的变化。在受到磁场作用时，磁致伸缩材料46发生纵向上的长度变化，使“8”字形波导微腔之间的耦合系数发生变化，系统偏离奇异点，引起谐振输出的变化。

具体是由微型光谱仪5输出透射-频率谱处理获得半高全宽参数，根据半高全宽参数变化和磁场变化的对应关系获得磁场变化。】

具体实施例中，该奇异点光学微腔磁场传感器的磁场敏感单元设计如下：

本实例中宽谱光源1采用SLD光源，中心波长为1550纳米，两个“8”字形波导微腔的开口环波导部分42的半径为R＝20微米，由图2中的几何关系可知，两段互相垂直的直波导43长度为2R＝40微米。输入输出波导41直接输出的光与耦合进入“8”字形波导微腔的光功率之比为95：5，两个“8”字形波导微腔之间的功率耦合比例也为95：5，即有5％的光从一个“8”字形波导微腔耦合进入另一个微腔。

确定得到输入输出波导41和“8”字形波导微腔7之间的耦合系数μ：

以及两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数κ：

其中c为真空中光速，n为波导材料的折射率，L是“8”字形波导微腔的腔长。

建立以下两个“8”字形波导微腔的时域耦合模方程：

其中，a

设置增益或损耗系数的值γ＝κ，使得系统在初始状态下处在非厄米系统奇异点，由图1的输入输出关系，建立以下从磁场敏感单元4输出端输出的光功率S

S

进而计算得到输出谱S

Δω＝ω-ω

其中，Δω是输入光频率偏离腔谐振频率的量，ω表示输入光频率。

可以看到，输出谱与两个“8”字形波导微腔之间的耦合系数κ密切相关，初始状态下系统处在奇异点，当受到磁场作用时，磁致伸缩材料层46发生纵向的长度变化，底部含有该磁致伸缩材料的“8”字形波导微腔7将与另一个微腔错开一定的距离，由于腔之间的耦合依赖于倏逝波的作用，因此两个微腔之间的耦合系数k将发生轻微的变化，使系统偏离奇异点，从而引起输出谱的变化。

如图3所示，可以看到耦合系数10

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。