CC BY
8ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
МНОГОКАНАЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРОСА НЕСКОЛЬКИХ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ФОТОННОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ
*
Закоян А.Г., Воронков Г.С., Алексакина Я.В., Любопытов В.С., Кутлуяров Р.В.
Уфимский университет науки и технологий, г. Уфа * E-mail: kutluyarov.rv@ugatu.su DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-135-136
Системы "лаборатория-на-чипе" являются одним из наиболее быстро развивающихся направлений в прикладной фотонике и, в частности, биофотонике на сегодняшний день. Они применимы для определения изменений параметров окружающей среды, таких как состав, температура или концентрация жидкого аналита, в том числе, с использованием нескольких датчиков. Основными требованиями к таким системам являются высокая энергетическая и экономическая эффективность, компактность, небольшой вес, высокая чувствительность и быстродействие. Поэтому интегральные фотонные технологии являются выгодным решением для создания систем "лаборатория-на-чипе".
На данный момент хорошо изучены разные методы опроса рефрактометрических датчиков жидкости на основе микрокольцевых резонаторов (МКР): интеррогация по интенсивности [1], по частоте [2] и по времени [3]. Указанные методы не предусматривают возможности одновременного сканирования нескольких сенсоров, выполненных на фотонной интегральной схеме (ФИС). Однако имеется значительное количество методик и технологий, применяемых для опроса массива датчиков на волоконных брэгговских решетках (ВБР). Различают опрос ВБР по частоте и по времени. При частотном разделении в схеме интеррогации может применяться AWG (arrayed waveguide grating) для разделения каналов сканирования [4] и обеспечения мультиплексирования по длине волны (WDM) [5]. В интеррогации по времени [6] часто встречаются комбинации различных методик, включая, например, применение WDM [7], CDM-WDM (code-division multiplex-wavelength-division multiplex) [8] или метод wavelength-to-time mapping [9]. Важнейшим преимуществом данных методик является возможность опроса массива из десятков и сотен датчиков.
В данной работе описывается новый метод одновременного опроса нескольких рефрактометрических датчиков на МКР с применением всего одного элемента формирователя огибающей опрашивающего сигнала (рис. 1). Классическая архитектура интегральной сенсорной системы "датчик-интеррогатор" не отвечает требованиям одновременного опроса, поэтому предлагается инвертировать структуру системы для опроса нескольких датчиков и использовать низкодобротный МКР в качестве формирователя спектра широкополосного опрашивающего сигнала. Данная схема позволяет получить входные сигналы для нескольких датчиков, разделив выходной сигнал формирователя с помощью интегральных оптических разветвителей.
Рис. 1. Структурная схема многоканальной сенсорной системы для одновременного опроса рефрактометрических датчиков; «in» - входной порт МКР, «thru», «add», «drop» - выходные порты МКР; ФД - фотодиод
Опрос по схеме на рис. 1 может быть реализован несколькими способами: опрашивающий сигнал может подаваться на входные порты сенсоров либо с thru порта МКР формирователя, либо с drop. Для
ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
определения наиболее эффективного варианта работы схемы сравнивались полученные значения средней чувствительности сенсорной системы по относительной мощности и коэффициенты нелинейности характеристики чувствительности (таблица 1).
Таблица 1. Рассчитанные значения средней чувствительности и коэффициент нелинейности характеристики чувствительности сенсорной системы для разных вариантов реализации работы
многоканальной схемы опроса датчиков на МКР
№ Опрос с thru/drop Средняя чувствительность (по относит. мощности), дБ/RIU Средняя чувствительность на thru/drop портах, дБ/RIU Коэффициент нелинейности (по относит. мощности) Коэффициент нелинейности на thru/drop портах
1 thru 203,3 16,67 /186,67 6,1-10-4 4,4-10-4 /6,3-10-4
2 drop 1980 90/1890 5,7-10-5 2,5-10-4 /7,9-10-5
Чувствительность самого датчика вне сенсорной системы составила 110 нм/RIU, а коэффициент нелинейности - 5,9-10-4. Таким образом, при сравнении показателей работы сенсорной системы и датчика можно сделать вывод, что предложенный метод одновременного опроса повышает чувствительность системы к изменению показателя преломления вещества. Также при изучении результатов можно отметить, что использование drop порта формирователя при опросе дает лучший результат, чем опрос с thru порта. Это связано с тем, что при фиксировании мощности на выходных портах сенсора по отдельности контрастность спектральной характеристики у drop порта оказалась выше, а применение метода расчета относительного уровня мощности только улучшило результаты работы в данном случае.
В работе также получены методики подбора геометрических параметров элементов формирователя огибающей опрашивающего сигнала и датчиков, методы расчета относительного уровня мощности и коэффициента нелинейности характеристики чувствительности сенсорной системы, выполнен расчет параметров данных структур для достижения максимальной калибровки спектральных характеристик.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания для УУНиТ (код темы № FEUE-2021-0013, договор № 075-03-2023-119) и проводилось в научно-исследовательской лаборатории "Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники" Евразийского научно-образовательного центра.
Литература
1. Voronkov G., et al, Sensors 22, 9553 (2022)
2. Yang F., et al, J. Lightwave Technology 40, 3055-3061 (2022)
3. Yang F., et al, Opt. Express 27, 6037-6046 (2019)
4. Weng S., et al, Opt. Fiber Technol. 68, 102815 (2022)
5. Li K., et al, Nanomaterials, 12, 2938 (2022)
6. Dai Y., et al, Opt. Lasers Eng. 47, 1028-1033 (2009)
7. Hu C., Bai W. Sensors 18, 665 (2018)
8. Gotten M., et al, IEEE Sens. J., 22, 11290-11296 (2022)
9. Xia H., et al, J. Lightwave Technology 28, 254-261 (2010)
