Полностью интегральная оптическая сенсорная система с интеррогацией по интенсивности

Аннотация

Введение: сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники являются важнейшим направлением развития встраиваемых информационно-управляющих систем различного назначения. Выходные характеристики сенсорной системы существенно определяются эффективностью устройства опроса датчика. Считывающее устройство (интеррогатор) на основе микрокольцевого резонатора с применением метода интеррогации по интенсивности способно обеспечить высокую скорость опроса и чувствительность, соответствующую требованиям широкого спектра приложений. Цель: создать эффективную сенсорную систему для безмаркерного определения концентрации веществ в жидкости, включающую рефрактометрический датчик и устройство опроса, расположенные на одной фотонной интегральной схеме. Методы: проведено численное моделирование процессов распространения электромагнитного поля в направляющей системе (кремниевых волноводах в интегральном исполнении на подложке из оксида кремния) с использованием среды Ansys Lumerical и алгоритма FDTD. Параметры микрокольцевых резонаторов предварительно оптимизированы с целью получить коэффициенты связи между волноводами, обеспечивающие режим работы резонаторов, близкий к режиму критической связи. Результаты: предложена концепция полностью интегральной фотонной сенсорной системы на основе микрокольцевых add-drop-резонаторов. Разработан сенсор на основе микрокольцевых резонаторов, представляющий из себя два полукольца радиусом 18 мкм, соединенных участками прямых волноводов длиной 3 мкм. Разработано опрашивающее устройство в формате микрокольцевого резонатора радиусом 10 мкм. Согласно результатам моделирования с использованием широкополосного источника излучения, чувствительность сенсора составила 110 нм (или 1350 дБ) на единицу изменения показателя преломления. Предложена методика выбора оптимальных характеристик сенсора и интеррогатора с точки зрения повышения эффективности работы системы в целом. Практическая значимость: сенсорные системы на основе фотонных интегральных схем способны удовлетворить существующий спрос на устройства, характеризуемые низким энергопотреблением, компактностью, невосприимчивостью к электромагнитным помехам и малой стоимостью.