CN102419312A - 基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，它包括一个宽带光源、一个具有周期性滤波谱的无源谐振腔、一个将不同波长分开的光栅解复用器和一个探测器阵列；其中，所述光栅解复用器与探测器阵列中任意一个探测器组成一个带通滤波器；所述宽带光源、无源谐振腔和光栅解复用器依次通过波导连接，探测器阵列置于光栅解复用器的焦平面位置处本发明采用低成本的宽带光源作为输入光源，并且无源谐振腔、光栅解复用器和探测器阵列直接可以完成被测物质的信息获取工作，无需外加高分辨率的光谱仪或高波长稳定的单模激光器。大大降低了成本，并且更易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种光波导传感器，尤其涉及一种无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器。
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）并会返回波导中，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。
如图1所示，K.De Vos等人在文献（“Silicon-on-Insulat or microring resonator for sensitive and label-free biosensing”，Optics Express 15， pp.7610-7615（2007））中提出利用环形谐振器作为光波导传感器的方案，环形谐振器是光谐振腔的一种，由于其具有比较尖锐的滤波谱线，用作传感器灵敏度较高，因此受到了广泛关注。该光波导传感器包括一个单模激光器、一个具有周期性滤波谱的无源谐振腔和一个探测器。单模激光器和无源谐振腔之间以及无源谐振腔与探测器之间由波导连接。
K.De Vos等人方案的缺点在于需要一个价格昂贵的光谱仪来测量透射峰的波长移动，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单模激光器作为光源，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，而且要高度稳定。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
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，本发明使用宽带光源等低成本器件作为输入光源，通过无源谐振腔和与之集成的光栅解复用器解复用器和探测器阵列来探测被测物质，同时完成对其变化的测量。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，它包括一个宽带光源、一个具有周期性滤波谱的无源谐振腔、一个将不同波长分开的光栅解复用器和一个探测器阵列；其中，所述光栅解复用器与探测器阵列中任意一个探测器组成一个带通滤波器；所述宽带光源、无源谐振腔和光栅解复用器依次通过波导连接，探测器阵列置于光栅解复用器的焦平面位置处。
进一步地，还包括一阵列波导，所述探测器阵列的任一探测器通过阵列波导的一个波导与光栅解复用器相连。
进一步地，所述无源谐振腔为环形谐振腔或法布里泊罗腔。
进一步地，所述光栅解复用器为阶梯光栅或阵列波导光栅。
本发明具有的有益效果是：
采用低成本的宽带光源作为输入光源，并且无源谐振腔、光栅解复用器和探测器阵列直接可以完成被测物质的信息获取工作，无需外加高分辨率的光谱仪或高波长稳定的单模激光器。大大降低了成本，并且更易于集成。
附图说明
图1为基于单个无源谐振腔的光波导传感器示意图；
图2为本发明中基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器的结构示意图；
图3为无源谐振腔光谱图和光栅解复用器与各个探测器组成的带通滤波器滤波光谱图，图中，（a）是被测物质放入入传感区21之前的滤波光谱图，（b）是被测物质放入传感区21之后的滤波光谱图，（c）是被测物质放入传感区21之前，探测器阵列4的各个通道的功率分布图，（d）是被测物质放入传感区21之后，探测器阵列4的各个通道的功率分布图；实线为无源谐振腔的透射光谱示意图，虚线为光栅解复用器与探测器阵列组成个各个通道的叠加光谱示意图；
图4为当前通道编号和其相邻两通道功率比随传感区21折射率变化关系；
图5为本发明中第二个实施方式的结构示意图；
图6为本发明中第三个实施方式的结构示意图；
图7为本发明中第四个实施方式的结构示意图；
图8为本发明中第五个实施方式的结构示意图；
图9为本发明中第六个实施方式的结构示意图；
图中，宽带光源1、无源谐振腔2、光栅解复用器3、探测器阵列4、阵列波导6、波导7、单模激光器8、传感区21、探测器41、带通滤波器51。
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。
图2是本发明的第一个实施方式示意图。它包括一个宽带光源1、一个具有周期性滤波谱的无源谐振腔2、一个将不同波长分开的光栅解复用器3和一个探测器阵列4。光栅解复用器3与探测器阵列4中任意一个探测器41组成一个带通滤波器51。其中，宽带光源1、无源谐振腔2和光栅解复用器3依次由波导7连接，探测器阵列4置于光栅解复用器3的焦平面位置处。
如图3a所示，任意相邻两个探测器41所对应的带通滤波器51的中心频率之差相等，设为fsp，无源谐振腔2具有一定的光学长度使得其所产生各级谐振频率的间距（又称为自由光谱范围（Free Spectral Range 或FSR））与相邻探测器41对应的带通滤波器51中心频率的差值fsp有一定差异。
如图3c所示，当无源谐振腔2的某一级谐振频率正好与某一个带通滤波器51的中心频率相等时，由于fsp≠FSR，无源谐振腔2的其他级次的谐振频率就会偏离之相对应的通道的中心频率，从而导致其余通道接收到的光功率低于这一通道。我们称接收到光功率最大的通道称为当前通道。
如图3b所示，无源谐振腔2中存在一个折射率可以被被测物质改变的传感区21，有被测物质引起的传感区21折射率的变化可引起无源谐振腔2光学长度的变化。使得无源谐振腔2产生的光谱发生移动。这就会使原本对准的谐振频率偏离与之对应的通道的中心频率，从而导致当前通道发生变化，如图3d所示。
图4给出了当前通道编号随着传感区21折射率变化的关系，在该实例中，无源谐振腔2的自由光谱范围FSR=125GHz，fsp=121.875GHz，光栅解复用器共有40个通道。因此，通过判断当前接收到最大功率的通道编号，就可以判断出无源谐振腔2的光学长度，从而获得传感区21的折射率信息，进而推知被测物质的信息。在此例中，折射率测量的灵敏度为5×10-5。
为进一步提高传感器的灵敏度，还可以通过比较与当前通道相邻的左右两个通道的功率比来进一步提高传感器的灵敏度。假设当前通道编号为j，则其相邻两通道的功率比可表示为 
。图4也给出了这个函数随着传感区21的折射率变化的关系，如果假设最小可分辨的功率比为0.1，那么对折射率的分辨能力就可以提高5倍，达到1×10-5。
图5分别给出了本发明的第二个实施方式示意图。这个实施方式与第一种实施方式不同之处在于：在第二个实施方式中，光栅解复用器3和探测器阵列4之间由一个阵列波导6相连，这样做的优点在于，加入波导之后，滤波通道由光栅解复用器3、探测器阵列4中的探测器41和阵列波导6中的一根波导61共同构成，这样有利于获得更窄的滤波谱线，提高系统的灵敏度。
图6-9分别给出了本发明的第三到第六个实施方式示意图。这些实施方式与第一种实施方式不同之处在于：在第三和第四个实施方式中，无源谐振腔2分别为法布里泊罗腔201和环形谐振腔202，在第五和第六个实施方式中，光栅解复用器3分别为阶梯光栅301和阵列波导光栅302。
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。例如无源谐振腔可以换做任何其他可以产生周期性滤波谱线的光学结构，如法布里泊罗标准具等。
Claims (4)
1.一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，其特征在于，它包括一个宽带光源（1）、一个具有周期性滤波谱的无源谐振腔（2）、一个将不同波长分开的光栅解复用器（3）和一个探测器阵列（4）等；其中，所述光栅解复用器（3）与探测器阵列（4）中任意一个探测器（41）组成一个带通滤波器（51）；所述宽带光源（1）、无源谐振腔（2）和光栅解复用器（3）依次通过波导（7）连接，探测器阵列（4）置于光栅解复用器（3）的焦平面位置处。
2.根据权利要求1所述基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，其特征在于，还可以包括一阵列波导（6），所述探测器阵列（4）的任一探测器（41）通过阵列波导（6）的一个波导与光栅解复用器（3）相连。
3.根据权利要求1所述基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，其特征在于，所述无源谐振腔（2）可以为法布里泊罗腔（201）或环形谐振腔（202）。
4.根据权利要求1所述基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器，其特征在于，所述光栅解复用器（3）可以为阶梯光栅（301）或阵列波导光栅（302）。
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