第34卷，第11期 2014年11月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
串联双微环湿度传感器光谱特性研究
郭士亮，胡春海，李欣”，王文娟 1.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004
2.哈尔滨工业大学控制与伤真中心，黑龙江哈尔滨15008C
Vol.34,No.11 -pp3152-3156
November,2014
摘要提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺（Polyimide，PI)湿度传感器，采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数，并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。外界湿度变化使得聚酰亚腰SO波导吸收水汽后折射率发生变化：从而弓起微环输出光谱发生漂票移，通过探测光谱漂移量来测湿度值，得到了串联双微环传感器的灵敏度和测量范围，并且分析了感湿部位不同时谐振器输出光谱特性。理论结果表明：串联不同半径的微环谐振器的自由光谱范围(FSR)要比单微环有所提高，而且串联双微环谐振器整体感湿比单个微环单独感湿的传感性能更优良，可作为最佳的湿敏元件。与传统的单微环传感器相比，串联不同半径的微环结构可提高系统的测量范围和灵敏度，半径为30和50m 的串联微环谐振器的FSR可达到0.15um，传感器测量湿度范围为10%RH～80%RH，灵缴度可达到 0.0017um·(%RH）-。因此串联不同半径的双微环谐振器为制备成本低、结构简单、高灵敏度、可集成的微型湿度传感器件提供一定理论基础。
关键词串联微环谐振腔；湿度传感器；光谱测量；灵敏度
中图分类号：TN252
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2014 )11-3152-05
LourdesAlwis等9研制了一种在LPG(长周期光纤光栅)上涂覆聚酰亚胺的新型湿度传感器，测得传感器的灵敏度可达到0.1nm ·(%RH)-1
湿度是工业，农业，气象学，医疗，食品，建筑以及军事等方面一个非常重要的参数。传统用于湿度测量的有电阻型，电容型，电解质离子型等湿度传感器，汀。然而，传统湿度传感器具有响应时间长，敏感度低，易受电磁十扰，体积宠大等缺点，有待于进一步改善。
随着MEMS和微加工技术的发展，光学微型湿度传感器的研究受到了国内外学者的广泛关注。Bhola教授3]提出了一种基于溶胶的光学微环湿度传感器，其灵敏度为16pm·(%RH）-1，Wu等4)对比了由二氧化硅（SiO2）、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成的微光纤环湿度传感器的传感性能，实验表明PMMA湿度传感器的灵敏度较高，在17%RH~ 98%RH范围内可达到880pm·(%RH）-1，且具有良好的重复性和稳定性。Gu等提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与细纤芯光纤模态干涉仪相结合的光学光纤相对湿度传感器，其测量范围可达到20%RH90%RH。近年来，聚酰亚胺68由于具有耐高低温、结构稳定、良好的湿敏特性和介电性能等优点，在湿度传感方面的应用不断扩大。
收稿日期：2014-03-22，修订日期：2014-06-25
在众多的光学器件中，光学微环谐振器012具有结构紧凑、成本低、易集成、良好的抗干扰性等特点，不仅用于光学滤波，光开关，波分复用系统，激光器，在传感等方面也有重要的应用。在微环结构中，串联两个不同半径微环的结构1$-15}与传统的单环结构相比，消光比值和平坦度都有所改善，进而提高了设计元余度。本工作提出广一种基于串联双微环结构的聚酰亚胺湿度传感器。相对湿度对聚酰亚胺的介电常数的影响使得微环的谐振特性发生变化，可以通过对输出端口光谱漂移量的检测来确定外界环境中相对湿度的变化。可为制备结构简单、高灵缴度、可集成湿度传感器提供有效途径。
模型理论分析
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1.1串联双微环谐振器模型的建立与分析
研究的光学湿度传感器中，串联双微环谐振器作为感湿
元件，整体微环结构和波导横截面结构如图1所示。其中电
基金项目：国家自然科学基金项目(61172044和61107039)和河北省自然科学基金项目(F2012203204)资助
作者简介：郭士亮，1984年生，燕山大学电气工程学院博士研究生
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