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马赫-曾德尔干涉仪光学传感器-高精度相位检测.docx

资料介绍

马赫-曾德尔干涉仪光学传感器:高精度相位检测

一、引言

马赫-曾德尔干涉仪光学传感器利用光在参考臂和传感臂中传播产生的相位差,通过检测干涉光强变化实现对外界参数的测量。MZI传感器具有灵敏度高、结构简单和可集成化的优势,在温度传感、折射率检测和生物传感中广泛应用。2026年,基于MZI级联微环的传感器在温度不敏感检测方面取得突破,浙江工业大学团队提出的MZI-微环级联结构实现了低成本、温度不敏感的检测。

二、MZI传感器工作原理

MZI将输入光分为两路,分别通过参考臂和传感臂后重新合束。当传感臂暴露于待测环境时,环境变化引起传感臂波导的有效折射率变化,导致两臂之间的相位差变化,干涉光强随之变化。

相位差Δφ = (2π/λ)·Δneff·L,其中L为传感臂长度,Δneff为有效折射率变化。灵敏度由相位差对折射率变化的导数决定,通过延长传感臂长度或采用高灵敏度波导结构可提高灵敏度。

三、MZI结构设计

非对称MZI通过设计两臂长度差,在较宽的波长范围内产生干涉条纹,适用于光谱检测。级联MZI将多个MZI级联,通过多级干涉提高灵敏度和分辨率。MZI-微环级联将微环谐振器与MZI级联,利用微环的共振增强效应和MZI的干涉检测,实现高灵敏度和温度不敏感检测。

槽型波导MZI利用槽型波导中的强倏逝场增强光与物质的相互作用,提高折射率灵敏度。亚波长光栅波导MZI利用亚波长光栅结构进一步增强倏逝场,灵敏度可从50 nm/RIU提升至600 nm/RIU以上。


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