CN103575409A - 一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，单频激光经过集成谐振环后产生一对具有频率差的激光作为检测光信号，通过检测该检测光信号的相位差来得到谐振波长漂移量。本发明提供的方法采取相位检测的方式，有效的降低了由光源稳定性、与集成芯片之间的光耦合系统的振动等因素所造成的强度噪声，提高检测精度。

Description

一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法
技术领域
本发明涉及集成光传感领域，特别是涉及一种用于检测谐振环的谐振波长漂移的方法。该方法可用于基于集成芯片的温度、化学、生物等光传感系统中。
背景技术
随着信息技术和生物工程技术的发展，传感技术逐渐成为21世纪信息产业的三大支柱之一，广泛渗透于基础设施和服务的建设上。传感器不仅广泛应用于传统医学领域，而且还在生命科学、食品工业、环境监测、国防安全和发酵工程等领域也有着广泛的应用。如今，人们对生活质量的要求越来越高，对于人类生活密切相关的领域的要求也在逐步的提高，开展并加强环境保护、绿色食品、保健医疗等工作已迫在眉睫。发展新型高效传感器，能减少分析时间，降低成本，便于在线及应急监测且较易实现自动化，提高安全系数。
基于集成光子芯片的光学传感器，是近些年来新兴的传感技术，因其体积小灵敏度高而受到广泛关注，并得到了持续深入的发展。这种传感器大多采用光波导作为传感元件，当外界待测量，如：温度、包层材料折射率等，发生改变时，光波导中传播的光的传输性质的改变，进而完成了将待测信号转换为光信号的过程。目前对于非谐振型波导传感器（如马赫曾德干涉仪）而言，具有的共同缺点是需要一定长度的探测区域来积累足够大相位变化以便测量，也即为使相位变化能累积到可被有效探测的程度，所需的探测区域长度通常较长，因此在探测时就需要一定量的生物样本数。与之相比，集成谐振环特有的谐振效应，光信号能在腔内不断谐振、放大，使得器件只需很短的作用长度便能积累足够的相变，能有效减小探测区域的尺寸，进而大大提高探测微量分析物的能力。而集成谐振环可以在很小的尺寸上（微米级）实现，集成度很高，可以大大降低成本。
在集成谐振环传感系统中，通常通过检测其谐振波长的移动，来反映待测量的变化。在传统的谐振波长检测方案是测量集成谐振环的波长响应，或者测量某一固定波长位置的传输功率变化。这两者都受到光的强度噪声的影响。这个强度噪声可能来自于光源的功率变化、耦合系统的振动、非传感元件在外界影响下的性质变化等等。这些噪声都将直接影响谐振波长的检测准确度，进而影响对待测量的检测精度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，利用该方法可以避免直接读取强度信息，而是利用谐振环谐振波长附近剧烈的相位变化作为检测谐振波长漂移的依据。并采取共路差分设计，有效的避免了光路中各种外界因素的影响，降低了噪声，提高检测精度和稳定性。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，单频激光首先经过相位调制器后形成原始激光和两个偏光带，然后通过滤波器和集成谐振环后产生一对具有频率差的激光作为检测光信号，通过检测该检测光信号的相位差来得到谐振环谐振波长的漂移量。
上述技术方案中，单频激光经过相位调制器后首先通过滤波器滤掉其中一个边带信号，然后通过集成谐振环后得到检测光信号。
上述技术方案中，单频激光经过相位调制器后首先通过集成谐振环然后通过滤波器后得到检测光信号。
上述技术方案中，通过一个光电探测器直接将光信号转换成电信号，并测量电信号的相位得到出射光的相位差。
上述技术方案中，所述检测光信号的两激光频率差在1GHz至60GHz之间。
上述技术方案中，通过一个网络分析仪产生具有一定频率的电信号，用来驱动强度或相位调制器，该网络分析仪同时检测经由光电探测器转换的电信号，显示最后的相位。
上述技术方案中，所述的集成谐振环包括至少一根直波导，以及至少一个环形谐振腔。
本发明具有如下有益效果：1）本发明提供的方法采取相位检测的方式，有效的降低了由光源稳定性、与集成芯片之间的光耦合系统的振动等因素所造成的强度噪声，提高检测精度。
2）本发明提供的方法中，使用的一对激光经过同一个光路，最后的探测信号为这一对激光的相位差，即：采取共路差分的设计。该设计可以有效补偿光路中其他（除待测集成谐振环之外）元件受外界变化，对光信号产生的影响，提高系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的第一种实施例图。
图2 本发明的第二种实施例图。
图3 图1和2中的激光器的输出端频谱图。
图4 图1和2中的调制器的输出端频谱图。
图5 图1和2中的滤波器的输出端频谱图之一。
图6 图1和2中的滤波器的输出端频谱图之一。
图7 集成谐振环示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述， 参见图1至图7，实施例1：如图1所示，激光器1输出一个单频激光7，频率为，其频谱如图3所示。这个激光经过一个强度或相位调制器2。该强度或相位调制器由网络分析仪6驱动。网络分析仪的输出频率为，范围在1GHz至60GHz之间。激光经调制器调制以后的输出光的频谱如图4所示。除了原始的输入激光7以外，经调制以后的光信号还将包含两个边带光9和8，其频率分别为和。之后，光信号将输入到滤波器3。该滤波器将过滤掉频率为边带光8，输出频谱如图5所示。经过滤波器以后的光信号将输入到集成谐振环4，而后由探测器5转换为电信号，并由网络分析仪6获取，以分析最终信号的相位，通过预校准的方式由信号的相位得到最终谐振环的谐振波长漂移量。预校准是一个比较常用的方法，就是：当需要知道两个量之间的关系，对于这个系统就是相位差对应的谐振波长的漂移量这个关系。可以做的是，先用一个已知的漂移量（比如：可以通过其他更复杂的方法测得），再来测试这个系统中的相位差是多少。这样测试一组数据，我们就知道了波长的漂移量对应相位差这样一个关系。反过来就是相位差对应的谐振波长的漂移量的关系。这个就是预校准的过程。
实施例2：激光器1输出一个单频激光7，频率为，其频谱如图3所示。这个激光经过一个强度或相位调制器2。该强度或相位调制器由网络分析仪6驱动。网络分析仪的输出频率为，范围在1GHz至60GHz之间。激光经调制器调制以后的输出光的频谱如图4所示。除了原始的输入激光7以外，经调制以后的光信号还将包含两个边带光9和8，其频率分别为和。之后，光信号将输入到滤波器3。该滤波器将过滤掉频率为边带光9，输出频谱如图6所示。经过滤波器以后的光信号将输入到集成谐振环4，而后由探测器5转换为电信号，并由网络分析仪6获取，以分析最终信号的相位。
实施例3：如图2所示，激光器1输出一个单频激光7，频率为，其频谱如图3所示。这个激光经过一个强度或相位调制器2。该强度或相位调制器由网络分析仪6驱动。网络分析仪的输出频率为，范围在1GHz至60GHz之间。激光经调制器调制以后的输出光的频谱如图4所示。除了原始的输入激光7以外，经调制以后的光信号还将包含两个边带光9和8，其频率分别为和。之后，光信号将输入到集成谐振环4，而后再输入到滤波器3。该滤波器将过滤掉频率为边带光8，输出频谱如图5所示。经过滤波器以后的光信号将由探测器5转换为电信号，并由网络分析仪6获取，以分析最终信号的相位。
实施例4：激光器1输出一个单频激光7，频率为，其频谱如图3所示。这个激光经过一个强度或相位调制器2。该强度或相位调制器由网络分析仪6驱动。网络分析仪的输出频率为，范围在1GHz至60GHz之间。激光经调制器调制以后的输出光的频谱如图4所示。除了原始的输入激光7以外，经调制以后的光信号还将包含两个边带光9和8，其频率分别为和。之后，光信号将输入到集成谐振环4，而后再输入到滤波器3。该滤波器将过滤掉频率为边带光9，输出频谱如图6所示。经过滤波器以后的光信号将由探测器5转换为电信号，并由网络分析仪6获取，以分析最终信号的相位。
如图7所示，集成谐振环由至少一根直波导10，以及至少一个环形谐振腔11组成。输入光信号由直波导10的一端输入，经过环形谐振腔11以后，从另一端输出。

Claims (7)

1.一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：单频激光（7）首先经过相位调制器（2）后形成原始激光和两个偏光带（8、9），然后通过滤波器（3）和集成谐振环（4）后产生一对具有频率差的激光作为检测光信号，通过检测该检测光信号的相位差来得到谐振环谐振波长的漂移量。
2.如权利要求1所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：单频激光经过相位调制器（2）后首先通过滤波器（3）滤掉其中一个边带信号，然后通过集成谐振环（4）后得到检测光信号。
3.如权利要求1所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：单频激光经过相位调制器（2）后首先通过集成谐振环（4）然后通过滤波器（3）后得到检测光信号。
4.如权利要求1所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：通过一个光电探测器（5）直接将光信号转换成电信号，并测量电信号的相位得到出射光的相位差。
5.如权利要求1所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：所述检测光信号的两激光频率差在1GHz至60GHz之间。
6.如权利要求2或3所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：通过一个网络分析仪（6）产生具有一定频率的电信号，用来驱动强度或相位调制器（2），该网络分析仪（6）同时检测经由光电探测器（5）转换的电信号，显示最后的相位。
7.如权利要求1所述的一种检测集成谐振环的谐振波长漂移的方法，其特征在于：所述的集成谐振环（4）包括至少一根直波导（10），以及至少一个环形谐振腔（11）。
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