CN101526373A - 波导干涉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导传感器技术领域，运用波导非线性环镜原理设计了一种用于传感测量的新型迈克尔逊干涉仪，基本结构为：选取马赫－曾德尔干涉仪的一个2X2波导耦合器分束比为1∶1，两个输出口用波导连接；或者直接用一小段波导(光纤)以中部卷过来制作分束比为1∶1的2X2波导耦合器，再与另一个2X2波导耦合器连接构成。本发明目的在于低成本，两路反射处具有相同的相位变化和相同的反射率的波导干涉传感器，为波导传感器技术提供一种新型迈克尔逊干涉仪结构，从而得到提高干涉对比度，提高测量灵敏度的效果。

Description

波导干涉传感器

技术领域

本发明涉及波导传感器技术领域，更具体的说是一种用于波导传感的新型波导迈克尔逊干涉仪的结构。

技术背景

波导传感器以其固有的优点在工农业、生物和医学等各个领域获得了广泛的应用。最常用的调制方法是光强度调制、相位调制和频率调制三种方法。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得比较高的灵敏度，利用光频率调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。不管用什么调制方式的传感器最终转换成相应波长的光强信号，这工作由干涉仪完成。常用的波导干涉仪有迈克尔逊(Michelson)干涉仪，马赫一曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，萨格纳克(Sagnac)干涉仪，法布里一珀罗(Fabry-Perot)干涉仪。其中，迈克尔逊干涉仪设计优越于其它类型的干涉仪。首先具有使光束传导反向并重新返回光源的端面所允许将波导端放置于传感元件处而光电基本元件(例如激光器和检测器)可位于较远的位置。这与马赫一曾德尔结构成对比，在其结构中光学检测器必须位于在波导的远端。第二，由于在迈克尔逊型干涉仪中光束通过同一波导长度两次，与马赫一曾德尔干涉仪的单程设计相比，光路对干扰比其灵敏两倍。第三，迈克尔逊型干涉仪中整个长度分别是或可制成干涉灵敏，使双绕传感器设计与其它设计的短法布里一珀罗多通腔相比展示其改进的灵敏度。第四，由迈克尔逊结构产生的干涉图样具有好的正弦特性。其它类型的干涉仪结构导致更复杂的图样，它需要使用更复杂的信号处理算法以提供所希望的测量。

目前常用的迈克尔逊型干涉仪，在波导端面镀增反的多层介质膜或熔接波导光栅作为反射镜。首先这些反射镜实际使用时反射率不高。第二，由于不能保证两个反射镜完全相同的品质，光束通过反射镜有一定程度的相位和反射率不确定度变化。第三，长期使用，多层介质膜部分脱落或波导光栅退敏原因，其性能越来越劣化。第四，由于使用增反的多层介质膜或熔连接波导光栅，成本比较高。

发明内容

本发明目的在于提供低成本、两路反射处具有相同的相位变化和相同的反射率的全波导干涉传感器，为波导传感器技术提供一种新型迈克尔逊干涉仪结构，从而得到提高干涉对比度，提高测量灵敏度的效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：运用波导非线性环镜原理设计了一种用于传感测量的新型迈克尔逊干涉仪，基本结构为：选取马赫-曾德尔干涉仪的一个2X2波导耦合器分束比为1∶1，两个输出口熔用波导连接；或者直接用一小段波导(光纤)以中部卷过来制作分束比为1∶1的2X2的耦合器，再与另一个2X2耦合器连接构成。

本发明的工作原理：如图1所示，激光器①从左边输入光场振幅A，功率P＝|A|²，耦合器②的分束比1∶1，耦合器⑤的分束比1∶1，Mach-Zehnder干涉仪的两臂③、⑥长均为l，熔接耦合器⑤的两个输出口的波导长L。传感元件④单程相位变化为Δφ。波导传输常数β，波导损耗因子α，虚数单位j。

经Mach-Zehnder干涉仪的臂③输入耦合器⑤的光场为： $A_1=\sqrt{0.5}A{e}^{\mathrm{j\Δ\φ}+\mathrm{j\βl}+j0.5\mathrm{\γl}{\left|A\right|}^2-\mathrm{\αl}/2}$

经Mach-Zehnder干涉仪的臂⑥输入耦合器⑤的光场为： $A_2=j\sqrt{0.5}A{e}^{\mathrm{j\βl}+0.5\mathrm{\γl}{\left|A\right|}^2-\mathrm{\αl}/2}$

上述两光场均获得自相位调制引入的非线性相移，非线性系数γ。由波导耦合器⑤的传输矩阵得前向(顺时针)和后向(逆时针)传输光场为

$A_f=\sqrt{0.5}{A}_1+j\sqrt{0.5}{A}_2$ $A_b=j\sqrt{0.5}{A}_1+\sqrt{0.5}{A}_2---\left(1\right)$

上述光场不但获得了线性相移，而且还获得了自相位调制和交叉相位调制引入的非线性相移。结果两光场达到耦合器⑤后变为

A′_f＝A_fexp{[iβ+iγ(|A_f|²+2|A_b|²)-α/2]L}(2)

A′_b＝A_bexp{[iβ+iγ(2|A_f|²+|A_b|²)-α/2]L}(3)

利用波导耦合器⑤的传输矩阵可以得到透射和反射光场(沿臂③返回)为

$\left(\begin{array}{c}{A}_t\\ A_r\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{0.5}& j\sqrt{0.5}\\ j\sqrt{0.5}& \sqrt{0.5}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_f^{\′}\\ A_b^{\′}\end{array}\right)---\left(4\right)$

由于用于传感器领域的激光器入射功率小于亚毫瓦级及L为厘米级长度，γ∈[1，5]W^-1/km，所以

(|A_b|²-|A_f|²)γL＝|A|²γLe^-αlcos(Δφ)＜10^-8(5)

故

由(1)、(2)、(3)、(4)、(6)得

所以A₁，A₂除线路损耗外沿原路返回，返回率99.99％，且相位跳变π/2，由此Mach-Zehnder干涉仪转换为迈克尔逊干涉仪，本发明理论很容易理解，本发明也可以看作一个Mach-Zehnder结构和一个Sagnac环共用一个1∶1的2X2的耦合器，Sagnac环具有非线性环境功能。如果是测量位移、速度和加速度等，需要将一臂断开，传感头在波导端口，可以避免式(5)的误差。探测器⑦获得的功率为：

P_t＝0.5Pe^-α(2l+L)[1+cos(2Δφ)](9)

如图2所示，返回激光器①的功率为：

P_r＝0.5Pe^-α(2l+L)[1-cos(2Δφ)](10)

以上述两路解调可避免光源波动的影响：

$\frac{P_t-P_r}{P_t+P_r}=\cos \left(2\mathrm{\Δ\φ}\right)---\left(11\right)$

上述原理中需要传感器两臂等长，在实际应用中很难做到，但长度误差控制在光源相干长度内是可行办法，用现有的白光干涉技术可以做到亚毫米误差，远小于激光光源的相干长度。

本发明的优点在于：

成本低，反射率高且长期稳定。由于用一小段波导将马赫一曾德尔干涉仪的两个输出口连接起来，或者直接用一小段波导以中部卷过来制作分束比为1∶1的耦合器⑤，再与耦合器②连接，可以说不另增加成本。根据波导非线性环镜原理，理论反射率为100％，并且熔锥的耦合器在低功率下其分束比长期稳定可靠。

干涉对比度和灵敏度均提高。本发明的新型迈克尔逊干涉仪结构由马赫一曾德尔干涉仪转换而来，两路反射镜的相位及反射率变化相同，且光束通过同一波导长度两次，由公式(11)知道传感器的对比度和灵敏度均得以提高。

附图说明

图1本发明的结构示意图

图2本发明的双路解调结构示意图

图3本发明装配在有缓冲层的钢套中的传感器示意图

图4测量氢气的传感器获得波形图

图中标号说明如下：

①-激光器②、⑤-2X2波导耦合器③、⑥-传感器两臂④--传感元件

⑦、⑨--探测器⑧-波导环行器

具体的实施方式

本发明提供一种用于检测流体介质中一个或多个物质或分析物浓度变化的装置。传感臂上具有允许由其周围的介质通过该波的瞬逝分量对在波导内传输的导光波进行相位调制的传感元。该装置也可用来检测物理作用诸如压力、温度和张力，该装置预期的用途不应被认作为对本发明范围的限制，比如波导优选为光纤，但作为集成光学波导方式，传感器更小、紧凑，连接马赫-曾德尔干涉仪的两个输出口的波导线长可小于亚微米，在传感臂上设置电极，可用于电光调制器(电光传感器)。本发明通过相互比较两束特性满足光束相位来测量分析物浓度。携带光束之一的波导对分析物以及噪声源敏感，携带另一束光的波导只对噪声源敏感。分析物的含量可通过将两束光进行光学叠加以获得仅根据分析物浓度的干涉图样来得知。噪声贡献作为公共模信号在两光束中出现，对干涉图样没有影响。通过将干涉图样导向一个检测器或检测器阵列上，以及与带有提供分析物含量指示的相位的混合光束间的相位相互关联的条纹相对空间位置来实行相位比较。借助于通过与导波瞬逝分量的相互作用对其进行相位调制，可将光衰减降低到任意低的水平。通过使用相位而不是强度测量，使对分析物含量的测量变得对由于波导的弯折和其它强度调制作用所引起的能量损失变得不敏感。根据本发明的系统的总效率充分高以允许完全使用廉价和可靠的固态元件。该干涉方法在接近已知技术极限的水准上提供灵敏度。这取消了对传感器大功率照明设备的要求。只要所选择的波长不接近分析物的吸收峰值，该测量方法对波长(至少对第一级)不敏感，因此允许使用红外二极管激光器作为光源，使用锗或硅为基底的光传感器作为检测器。因为这种类型的固态元件广泛地用于包括远程通讯工业的各种工业中，这些元件的低成本和已经具有的可用性使它们在本发明的系统中很值得使用。

如图3所示，本发明由成都中住公司提供的一小段G.652.B单模波导，损耗0.188dB/km，以中部卷过来制作分束比为1∶1的耦合器⑤，公共线段L长1.5cm；在熔锥过程中，光功率降低30dB以下来保证分束比为1∶1；然后离耦合器⑤的两段波导5cm处再次熔锥耦合器②，获得只有一个输入口和一个输出口的MZ结构，其光路就是本发明的迈克尔逊型。选取其中一臂中部1cm长度在30％的氢氟酸中蚀刻30分钟，然后在离子蒸发台上镀上20nm厚的钯合金，最后将传感器装配在有缓冲层的钢套中并且传感元处开1cm的小窗口，输入口上接波导环行器⑧。有源器件制作在一个板卡中通过计算机插槽或USB接口与计算机相连。有源器件包括波长1550nm、线宽100MHz功率3mW的激光器和两个硅基PIN探测器、放大滤波处理电路、两路10bit10MHzA/D和计算机接口电路。如图4所示，氢气浓度2.5％的波形图。

Claims (5)

1、一种波导干涉传感器，其特征在于：选取马赫-曾德尔干涉仪的一个2X2波导耦合器分束比为1∶1，用一小段波导将其两个输出口熔接，或者直接用一小段波导(光纤)以中部卷过来制作分束比为1∶1的波导耦合器，再与另一个2X2波导耦合器连接构成；在波导非线性环镜作用下，以上结构形成迈克尔逊光路，两路反射处具有相同的相位变化和相同的反射率。

2、按权利要求1所述波导干涉传感器，其特征在于：波导干涉传感器的一臂上具有改变光程的传感元件，另一臂作为参考光传输波导。

3、按权利要求2所述波导干涉传感器，其特征在于：波导干涉传感器的一臂断开，传感元件位于波导端面。

4、按权利要求1所述的波导干涉传感器，其特征在于：具有相位或频率(波长)解调的传感器，波导可以是多模、单模、保偏波导和保偏波导耦合器；光电转换器是单列、阵列探测器或光谱仪。

5、按权利要求1所述的波导干涉传感器，其特征在于：集成光学技术制作波导，传感器更小、紧凑，在传感臂上设置电极构成电光调制器。

Images