CN101871790B - 基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器。它包含宽带光源、输入波导、连接波导、输出波导、与输入波导及连接波导相耦合的参照环形谐振腔、与连接波导及输出波导相耦合的参照环形谐振腔、两个光功率计。传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，传感环形谐振腔的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合。传感环形谐振腔中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触。被测变量影响作用或被测物质变化引起谐振谱的移动。通过双谐振腔的游标效应可将此移动放大为总透射谱包络的移动，并将其转换为透射总输出功率的变化，从而简单地检测被测量。

Description

基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器

技术领域

本发明涉及一种基于级连环形腔的光波导传感器，尤其是涉及一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器。

背景技术

光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支，在工业过程控制、环境监测、食品安全和国家安全等方面有着十分重要的应用。光传感技术可解决电传感技术存在的灵敏度低、易受干扰、感应时间较长、检测某些化学气体不安全等方面的问题。光传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测的优点，在传感领域占有越来越重要的地位。

光波导传感器件的基本原理是基于光纤或平面波导的界面/表面所出现的倏逝波，由于倏逝波透出波导的表面(接触待测物质)并会返同波导中，并影响波导中传输光的特性，因此探测波导中传输光的变化可实现光传感。

环形谐振腔因其具有尖锐的谐振峰，可以实现高灵敏度而备受关注。图1给出了基于单个环形谐振腔的光波导传感器结构示意图。模式折射率的变化引起环形谐振腔透射谱的移动，通过测量透射峰的波长移动或在透射峰附近某个固定波长的光的能量变化就能测定被测物质的变化。K.De Vos etal，“Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-freebiosensing”，Optics Express 15，pp.7610-7615(2007)。这个方法的缺点是测量透射峰的波长移动需要一个价格昂贵的光谱仪，其测量精度与光谱仪的精度直接相关。如果用测量透射峰附近某个固定波长光能量变化的方法，则需要一个窄线宽的激光器作为光源，而且激光器的波长要与谐振环的透射峰有精确的相对位置，而且要非常稳定。这些要求都大大增加了测量装置的成本，降低了可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器，使用LED等成本低廉的宽光源作为输入光源，通过测量全光谱输出光的强度(无需探测光谱信息)的变化来探测被测物质、被测量的变化，而且对光源和系统的稳定性要求也大大降低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

技术方案1：

它包含宽带光源、与宽带光源相耦合的输入波导、与输入波导相耦合的参照环形谐振腔、与参照环形谐振腔相耦合的连接波导，与连接波导相耦合的传感环形谐振腔、与传感谐振腔相耦合的输出波导、与输入波导相耦合测其出射光功率的第一光功率计；所述传感环形谐振腔与参照环形谐振腔的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触。

所述输入波导和连接波导与参照环形谐振腔之间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合；所述的输出波导和连接波导与传感环形谐振腔之间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合。

所述所有波导及环形谐振腔是平面集成光波导。

所述所有波导及环形谐振腔是由光纤构成。

所述宽带光源是发光二极管。

所述输入波导的另一端与第二光功率计相耦合。

所述被测变量为应力或温度，所述被测物质为液体或气体。

技术方案2：

包括依次相耦合的宽带光源、输入波导、参照光学滤波器、连接波导、传感光学滤波器、输出波导和光功率计；所述的参照光学滤波器(101)的透射频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感光学滤波器的一个透射频率与参照光学滤波器的一个透射频率重合时，其相邻的谐振峰不完全重合；传感光学滤波器中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触。

所述的输入波导、输出波导、连接波导、参照光学滤波器和传感光学滤波器均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。

所述的参照光学滤波器和传感光学滤波器是由一个或多个马赫-曾德干涉仪构成；或者是由阵列波导光栅构成；或者是由法布里-珀罗干涉仪构成。

本发明具有的有益效果是：

通过使用不同腔长的级联双环的游标效应，将传感环形腔谐振谱的移动转变为总出射谱包络的移动，再通过测量光源全光谱范围内输出光强度的变化来测定被测物质或被测量的变化。输入光源采用LED等价格低廉的宽光源，而无需采用价格昂贵的调谐激光器，并且探测的是全光谱范围内的能量，而无需监控波长或使用高分辨率光谱仪，大大降低了成本，简单易行。与此同时也增加了灵敏度，物质折射率变化可探测最小量达6.5×10^-7。

附图说明

图1是背景技术中基于单个环形谐振腔的光波导传感器示意图。

图2是本发明第一种实施方式结构示意图。

图3是本发明第一种实施方式透射谱示意图。

图4是本发明第一种实施方式被测物质变化后透射谱示意图。

图5是发光二极管LED光源光谱曲线示意图。

图6是非传感区与传感区波导横截面示意图。

图7是第一种实施方式给出的实例的TM总输出光强及TE模总输出光强的变化图。

图8是本发明第二种实施方式结构示意图。

图9是本发明第三种实施方式结构示意图。

图中：0、宽带光源，1、输入波导，2、输出波导，3、连接波导，10、参照环形谐振腔，20、传感环形谐振腔，51、多模干涉耦合器，52、多模干涉耦合器，53、多模干涉耦合器，54、多模干涉耦合器，41、光功率计，42、光功率计，101、参照光学滤波器，102、传感光学滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

图2是本发明的第一个实施方式示意图。它包含宽带光源0、与宽带光源相耦合的输入波导1、与输入波导1相耦合的参照环形谐振腔10、与参照环形谐振腔10相耦合的连接波导3，与连接波导3相耦合的传感环形谐振腔20，与传感谐振腔20相耦合的输出波导2，测输入波导1另一端出射功率的功率计41，测输出波导2出射功率的功率计42，所述参照环形谐振腔10与传感环形谐振腔20的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔10的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔20的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔10的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔20中至少有一部分波导(例如取虚线框内)受到应力、温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质接触。应力、温度等被测变量的影响作用会引起传感环形谐振腔20的光学长度变化或者被测物质的折射率等性质的变化通过倏逝波影响传感环形谐振腔20的光学长度，引起其谐振峰位置的变化；通过级联双环的游标效应，将传感环形谐振腔20谐振谱的移动放大为总透射谱包络的移动，使得总透射谱中心波长与光源中心波长的偏差发生变化，进而转化为透射总输出功率的变化，从而通过利用功率计42探测输出波导2中光信号的强度信息就可以获得被测变量或被测物质的折射率和浓度等信息。光功率计41的作用是探测输入波导1直通端的功率(接近光源功率的恒定值)。如果光源功率不稳定，则可以通过光功率计42与光功率计41的比值变化来测量被测量，以消除光源功率波动带来的误差。

图2中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过方向耦合器实现。

当宽带光源0进入输入波导1向右传播的光到达波导与参照环形谐振腔10耦合的区域时，会有一部分光侧向耦合到环里，并在里面发生谐振，由于环的自干涉作用，只有当参照环形谐振腔10的光程(光程为环的长度乘以其折射率)满足光波长的整数倍时(该波长称为环的谐振波长)，该波长的光波才能被从连接波导中耦合出来，向左继续传播，其余大部分光能量将会从输入波导右的端口出射。同理，从连接波导3向左传播的光波的波长也必须满足传感环形谐振腔20的谐振条件才能通过传感环形谐振腔20并从输出波导2输出。

环形谐振腔振幅透射系数为：

$t=\frac{-c^2{e}^{j{k}_0\mathrm{n\πR}}}{1-(1-c^2)e^{2j{k}_0\mathrm{n\πR}}}---\left(1\right)$

式中c表示环与波导间的耦合系数，n，R分别表示环的折射率和半径。k₀是光波在真空中的波数。由(1)式可以得到环形谐振器的谐振条件：

2nπR＝mλ                                        (2)

其中λ是环的谐振波长，m是某个正整数。

由于两个环的腔长略有不同，故其透射谱也不同(自由光谱FSR即相邻谐振峰距离不同)；由于两个环串级连，所以总透射谱为：

T＝T1×T2                                        (3)

具有相乘效应，其中T₁＝|t₁|²，T₂＝|t₂|²分别为参照环形谐振腔10，传感环形谐振腔20的透射谱。如图3(b)所示。在1550nm波长，两环都发生谐振，所以总输出谱上达到最大，为中心波长。

图3给出了第一个实施方式参照环形谐振腔10，传感环形谐振腔20各自的透射谱(a)以及总的透射谱(b)。

当传感环形谐振腔20受到应力、温度变化等作用时其光学长度会发生变化，或其包层物质有变化时，由于包层内倏逝波的作用，会引起传感环形谐振腔20波导模式有效折射率发生变化，进而也引起光学长度变化。据

(L＝2nπR为光学长度)                      (4)

传感环形谐振腔20的透射谱T2会发生移动。如图4所示：(a)在1550nm处，T1与T2的谐振频率不再重合，而是其相邻的峰发生重合，(b)表现在总透射谱T上就是包络发生了移动，中心波长移动到了相邻的峰上。由此可以看出，T2移动FSR₁-FSR₂，而T总输出最大跳变到侧峰上变化了FSR₁，因此T2的移动相当于被放大了一个因子

这就是游标效应的放大作用。(FSR₁，FSR₂分别为T1，T2的自由光谱范围)

如果采用LED作为宽带光源0，其光谱曲线如图5所示，中心波长在1550nm，恒定不变。当T2发生移动时总的透射射光谱T包络发生移动，其中心峰值波长与光源中心波长1550nm的距离发生变化，引起整个光谱围内的总输出光功率的变化。所以，可以通过测量整个光谱围内的总光功率的变化来探测被测变量或被测物质的变化。

如果波导结构选用条型波导，基于SOI(silicon-on-insulator)平台，波导芯层高度0.22um，宽度1um，芯层折射率3.48，衬底折射率1.444。对于TM模，模式有效折射率n_eff变化量相对于包层折射率n_c变化量的比值为：

dn_eff/dn_c＝43％   for TM                        (5)

对于TE模，模式有效折射率n_eff变化量相对于包层折射率n_c变化量的比值为：

dn_eff/dn_c＝15％  for TE                         (6)

图6给出了用于物质测量时波导横截面示意图。(a)给出了非传感区波导横截面，上包层可选用Su-8胶或二氧化硅等材料或与被测物质相当的参考物质，同时也起保护作用；(b)给出了传感区波导横截面，上包层为被测物质，被测物质的变化引起波导模式折射率变化。

两环的半径取为120um及121.2um，相差1％；环与直波导之间能量耦合系数取10％；损耗设为1db/cm；LED光源能量设为1mw。

图7给出了被测物质折射率从1.33变化到1.33+2.44×10^-3时，TM模总输出光能量的变化，以及被测物质折射率从1.33变化到1.33+7×10^-3时，TE模总输出光能量的变化。由图可以看出，随着被测物质折射率变化(T2移动)，因为总透射谱T的包络中心波长与LED光源中心波长逐渐错开，总输出光能量逐渐减小。经计算TM模最高灵敏度(斜率最高)达到15400dB/RIU，与探测精度为0.01dB的探测器结合，则可以探测的最小折射率变化为6.5×10^-7；TE模最高灵敏度达到4350dB/RIU，与探测精度为0.01dB的探测器结合，则可以探测的最小折射率变化为2.3×10^-6。

TE，TM模式的探测灵敏度不同是由于它们各自的有效折射率n_eff变化相对于包层折射率n_c变化的敏感度不同，以及模式色散不同。相比较而言TM模灵敏度高，探测范围小；TE模灵敏度低，探测范围大。实际应用中，可以用适当的偏振分离器将LED出射光的两个等功率偏振态分别送入两个独立的级联环传感器，形成两个探测通道。根据探测精度及范围要求可以选择不同的通道，或将两者结合同时达到高灵敏度和大测量范围。

实施例2：

图8是本发明第二种实施方式结构示意图。它包含宽带光源0、与宽带光源相耦合的输入波导1、与输入波导相耦合的参照环形谐振腔10、与参照环形谐振腔10相耦合的连接波导3，与连接波导3相耦合的传感环形谐振腔20，与传感谐振腔20相耦合的输出波导2，测输入波导1另一端出射功率的光功率计41，测输出波导2出射功率的光功率计42，所述参照环形谐振腔10与传感环形谐振腔20的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔10的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔20的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔10的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔20中至少有一部分波导(例如取虚线框内)受到应力、温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质接触。应力、温度等被测变量的影响作用会引起传感环形谐振腔20的光学长度变化或者被测物质的折射率等性质的变化通过倏逝波影响传感环形谐振腔20的光学长度，引起其谐振峰位置的变化；通过级联双环的游标效应，将传感环形腔谐振谱的移动放大为总透射谱包络的移动，使得总出射谱中心波长与光源中心波长的偏差发生变化，进而转化为透射总输出功率的变化，从而通过利用光功率计42探测输出波导2中光信号的强度信息就可以获得被测变量或被测物质的折射率和浓度等信息。光功率计41的作用是探测输入波导1直通端的功率(接近光源功率的恒定值)。如果光源功率不稳定，则可以通过光功率计42与光功率计41的比值变化来测量被测量，以消除光源功率波动带来的误差。

图8中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过各自的多模干涉耦合器51、52、53和54实现。

上述实施例主要讨论了光波导和环型谐振腔是基于平面光波导的情况。本发明中所述的光波导和环型谐振腔也可以是基于光纤或微纳光纤结构，光纤环谐振腔与输入/输出及连接光纤之间的耦合可通过融接方法或倏逝波耦合的方法实现。用光纤结构具有对偏振非敏感的优点。

实施例3：

本发明中的环型谐振腔是起到一个光学滤波器的作用，具有高品质因子(Q值)的优点，但环型谐振腔可以由一个马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪、阵列波导光栅、布拉格光栅或法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪等滤波器来代替，其中法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪可以由两个布拉格光栅构成。

如图9所示，包括宽带光源0、与宽带光源耦合的输入波导1、与输入波导相耦合的参照光学滤波器101、与参照光学滤波器101相耦合的连接波导3，与连接波导3相耦合的传感光学滤波器102，与传感光学滤波器102相耦合的输出波导2，测输出功率的光功率计42，所述的参照光学滤波器101的透射频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感光学滤波器102的一个透射频率与参照光学滤波器的一个透射频率重合时，其相邻的谐振峰不完全重合；传感光学滤波器102中至少有一部分波导受到应力、温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质接触。应力、温度等被测变量的影响作用或者被测物质的折射率等性质的变化会引起传感光学滤波器102透射频率的变化；通过两级连光学滤波器的游标效应将此将传感光学滤波器透射频率的移动放大为总透射谱包络的移动，使得总透射谱中心波长与光源中心波长的偏差发生变化，进而转化为透射总输出功率的变化，从而通过利用功率计42探测输出波导2中光信号的强度信息就可以获得被测变量或被测物质的折射率和浓度等信息。

所述的输入波导、输出波导、连接波导、参照光学滤波器和传感光学滤波器均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。

所述的参照光学滤波器和传感光学滤波器是由一个或多个马赫-曾德干涉仪构成；或者是由阵列波导光栅构成；或者是由法布里-珀罗干涉仪构成。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器，它包含宽带光源(0)、与宽带光源(0)相耦合的输入波导(1)、与输入波导(1)相耦合的参照环形谐振腔(10)、与参照环形谐振腔(10)相耦合的连接波导(3)、与连接波导(3)相耦合的传感环形谐振腔(20)、与传感环形谐振腔(20)相耦合的输出波导(2)、与输出波导(2)相耦合测其出射光功率的第一光功率计(42)；所述参照环形谐振腔(10)与传感环形谐振腔(20)的光学长度不同，所述的参照环形谐振腔(10)的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感环形谐振腔(20)的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔(10)的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合；传感环形谐振腔(20)中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触；其特征在于：当一个完全重合谐振频率与宽带光源的中心频率对准时，其他完全重合谐振频率不在所述宽带光源(0)光谱范围内；所述第一光功率计(42)探测的是全光谱范围内总出射光功率，而无需监控波长或使用高分辨率光谱仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器，其特征在于：所述的输入波导(1)和连接波导(3)与参照环形谐振腔(10)之间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合；所述的输出波导(2)和连接波导(3)与传感环形谐振腔(20)之间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合。

3.根据权利要求1所述的一种光传感器，其特征在于：所述所有波导及环形谐振腔是平面集成光波导。

4.根据权利要求1所述的一种光传感器，其特征在于：所述所有波导及环形谐振腔是由光纤构成。

5.根据权利要求1所述的一种光传感器，其特征在于：所述宽带光源是发光二极管。

6.根据权利要求1所述的一种光传感器，其特征在于：所述输入波导(1)的直通输出端与第二光功率计(41)相耦合，第二光功率计(41)探测的是输入波导(1)直通输出端的光功率。

7.根据权利要求1所述的一种光传感器，其特征在于：所述被测变量为应力或温度，所述被测物质为液体或气体。

8.一种基于宽带光源和级连光波导滤波器游标效应的光传感器，包括依次相耦合的宽带光源(0)、输入波导(1)、参照光学滤波器(101)、连接波导(3)、传感光学滤波器(102)、输出波导(2)和光功率计(42)；所述的参照光学滤波器(101)的透射频率对应于一系列等间隔的工作频率，所述传感光学滤波器(102)的一个透射频率与参照光学滤波器(101)的一个透射频率重合时，其相邻的谐振峰不完全重合；传感光学滤波器(102)中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触；其特征在于：当一个完全重合谐振频率与宽带光源的中心频率对准时，其他完全重合谐振频率不在所述宽带光源(0)光谱范围内；所述光功率计(42)探测的是全光谱范围内总出射光功率，而无需监控波长或使用高分辨率光谱仪。

9.根据权利要求8所述的一种光传感器，其特征在于：所述的输入波导(1)、输出波导(2)、连接波导(3)、参照光学滤波器(101)和传感光学滤波器(102)均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。

10.根据权利要求8或9所述的一种光传感器，其特征在于：所述的参照光学滤波器(101)和传感光学滤波器(102)是由一个或多个马赫-曾德干涉仪构成；或者是由阵列波导光栅构成；或者是由法布里-珀罗干涉仪构成。

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