CN105928903B - 基于级联光学谐振腔光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于级联光学谐振腔光学传感器，包括波长可调光源、输入光栅、Y分支分束器、连接波导、表面开窗的传感光学谐振腔、表面开窗的参考光学谐振腔、表面不开窗的参考光学谐振腔、输出光栅和探测器；所述波长可调光源与输入光栅连接；表面开窗的传感谐振腔和表面开窗的参考谐振腔均与被测物质接触。被测变量影响作用或被测物质变化引起传感环形谐振腔谐振谱的移动。通过双谐振腔的级联输出谱，可以探测传感光学谐振腔谐振谱移动的自由光谱范围的移动数量，从而在保证传感器高灵敏度的同时，大大增加了级联双光学谐振腔传感器的探测范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种基于级联光学谐振腔的大范围光学传感器。
背景技术
光学传感器因其在医疗诊断，药物研发，环境监测，食品工业以及生化安全等领域的广泛应用而取得了快速的发展。基于级联光学的生物传感器主要特点有超高的灵敏度，较强的抗电磁干扰能力，可多功能集成及具有高度灵活性等，具有潜在的巨大商业应用前景。其中倏逝波传感器感器利用倏逝波与待测物相互作用来实现传感的，即在光波导中传输的光，其光场不仅分布在波导芯层之中，亦在包层之中，当包层发生变化时，就会引起其中传输光的特性发生变化。基于环形谐振腔的光学传感器，由于光场在谐振腔中往返振荡，增加了倏逝波与待测物质的相互作用距离，提高了传感器的灵敏度，同时减小了传感器的尺寸。其中级联环形谐振腔光学传感器，利用游标效应，可以很大地提高传感器的灵敏度，同时降低了传感器的成本。此类传感器有一个特点，环形谐振腔的Q值决定了其测量的精度和灵敏度，Q值越高，其精度和灵敏度越高。为了提高谐振腔的Q值，一般可以用增加谐振腔长度和减少损耗的方法。减少损耗的方法较难实现，增加谐振腔长度的方法比较常用。但是谐振腔长度增加，传感器测量的范围就减小了，这样就限制了这种传感器的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于级联光学谐振腔的大范围高灵敏度的光学传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光传感器，它包括波长可调光源、输入光栅、Y分支分束器、四个连接波导、表面开窗的传感光学谐振腔、表面开窗的参考光学谐振腔、表面不开窗的参考光学谐振腔、四个输出光栅耦合器和四个探测器；所述波长可调光源与输入光栅连接；所述输入光栅与Y分支分束器的输入端口连接；所述Y分支分束器的两个输出端口分别与第三连接波导和第四连接波导相连；第一连接波导和第二连接波导均与表面开窗的参考光学谐振腔耦合；第二连接波导和第三连接波导均与表面开窗的传感光学谐振腔耦合；第三连接波导和第四连接波导均与表面不开窗的参考光学谐振腔耦合；第一连接波导、第一输出光栅耦合器、第一探测器依次连接，第二连接波导、第二输出光栅耦合器、第二探测器依次连接，第三连接波导、第三输出光栅耦合器、第三探测器依次连接，第四连接波导、第四输出光栅耦合器、第四探测器依次连接。
本发明具有的有益效果是：本发明将不开窗的参考光学谐振腔和开窗的传感谐振腔级联，可以形成游标效应，大大提高传感器的灵敏度。将表面开窗的传感光学谐振腔和另外一个表面开窗的参考谐振腔级联，利用其谐振腔长度的不同，得到具有包络的级联谐振腔透射谱。由于这两个谐振腔同时受到待测物质的影响，其透射谱包络移动的速度与这两个谐振腔单独的透射谱移动速度相同。但是从单个谐振腔的移动并不能判断其移动的大小是否超出了其自由光谱范围，而级联谐振腔透射谱具有包络特征，通过这个特征可以判断其移动是否超过了一个自由光谱范围，并且可以判断移动的自由光谱范围数量。光学谐振腔可采用集成光波导器件，使传感器体积更小，更加便携，易于实现高通量、多参数测量；利用级联的光学谐振腔大大提高了传感器测量的范围。
附图说明
图1为一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光学传感器示意图；
图2为所举实例中，传感谐振腔和参考谐振腔的谐振谱，以及这两个谐振腔级联之后总的输出谱(T82)；
图3为所举实例中，传感谐振腔和参考谐振腔的谐振谱，以及这两个谐振腔级联之后总的输出谱(T81)；
图4是所举实例中窗口有效折射率由1.700(细线)变化为1.701(粗线)时，两个输出谱(T82和T81)的变化图；
图5是所举实例中窗口有效折射率由1.700(细线)变化为1.703(粗线)时，两个输出谱(T82和T81)的变化图；
图6是第一探测器91和第二探测器92的光谱随着波导有效折射率变化而移动的示意图；
图中，波长可调光源1、输入光栅2、Y分支分束器3、第一连接波导41、第二连接波导42、第三连接波导43、第四连接波导44、表面开窗的传感光学谐振腔5、表面开窗的参考光学谐振腔6、表面不开窗的参考光学谐振腔7、第一输出光栅耦合器81、第二输出光栅耦合器82、第三输出光栅耦合器83、第四输出光栅耦合器84，第一探测器91、第二探测器92、第三探测器93、第四探测器94、窗口区10。
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。
如图1所示，本发明一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光传感器，包括波长可调光源1、输入光栅2、Y分支分束器3、连接波导41‐44、表面开窗的传感光学谐振腔5、表面开窗的参考光学谐振腔6、表面不开窗的参考光学谐振腔7、输出光栅耦合器81‐84和探测器91‐94；所述波长可调光源1与输入光栅2连接；所述输入光栅2与Y分支分束器3的输入端口31连接；所述Y分支分束器3的两个输出端口32、33分别与第三连接波导43和第四连接波导44相连。第一连接波导41和第二连接波导42均与表面开窗的参考光学谐振腔6耦合；第二连接波导42和第三连接波导43均与表面开窗的传感光学谐振腔5耦合；第三连接波导43和第四连接波导44均与表面不开窗的参考光学谐振腔7耦合；第一连接波导41、第一输出光栅耦合器81、第一探测器91依次连接，第二连接波导42、第二输出光栅耦合器82、第二探测器92依次连接，第三连接波导43、第三输出光栅耦合器83、第三探测器93依次连接，第四连接波导44、第四输出光栅耦合器84、第四探测器94依次连接。
表面开窗的传感谐振腔5和表面开窗的参考光学谐振腔6在窗口区10与被测物质接触。
不开窗的参考光学谐振腔7和开窗的传感谐振腔5通过第三连接波导43级联，可以形成游标效应，大大提高传感器的灵敏度。表面开窗的传感光学谐振腔5和表面开窗的参考谐振腔6过第二连接波导42级联，其级联谐振腔透射谱具有包络特征，通过这个特征可以判断其移动是否超过了一个自由光谱范围，并且可以判断移动的自由光谱范围数量，从而成倍地拓宽了传统双环的测量范围。拓宽的倍数由表面开窗的传感光学谐振腔5和表面开窗的参考谐振腔6的自由光谱范围之差决定，通过选择恰当的自由光谱范围，可以获得很大的拓宽倍数。
所述表面开窗的传感光学谐振腔5、表面开窗的参考光学谐振腔6、表面不开窗的参考光学谐振腔7均具有周期滤波特性的结构；如法布里泊罗腔或者环形谐振腔。
所述表面开窗的传感光学谐振腔5、表面开窗的参考光学谐振腔6、表面不开窗的参考光学谐振腔7可由平面集成光波导、分立光学元件或者光纤构成。
本实例中选择的波长可调光源1作为入射光源，其中心波长在1550nm附近。采用平面集成光波导中的环形谐振腔作为传感器的光学谐振腔。设计选择SOI(silicon‐on‐insulator)材料，上包层材料为SU8，开窗区域波导TM模式有效折射率为1.700，不开窗区域波导有效折射率为1.7708。波长可调光源1发出的光通过输入光栅2进入光路，在Y分支分束器3处分为两路。一路(通路1)经过表面不开窗的参考光学谐振腔7和表面开窗的传感光学谐振腔5，由第二输出光栅耦合器82和第四输出光栅耦合器84耦合到第二探测器92和第四94探测器中探测接收。另一路(通路2)经过表面开窗的传感光学谐振腔5和表面开窗的参考谐振腔6，由第一输出光栅耦合器81和第三输出光栅耦合器83耦合到第一探测器91和第三探测器93中探测接收。表面开窗的传感光学谐振腔5的半径是132μm，表面开窗的参考谐振腔6的半径是140μm，表面不开窗的参考光学谐振腔7的半径是128μm。
通路1与传统的双环传感是一样的，利用游标效应将表面开窗的传感光学谐振腔5的测量信息(波长漂移)进行放大，放大倍数：
其中，ΔλFSRr为表面不开窗的参考光学谐振腔7的自由光谱范围，ΔλFSRs为表面开窗的传感光学谐振腔5的自由光谱范围。
通路2则用来监控表面开窗的传感光学谐振腔5漂移的FSR数量，其原理是表面开窗的传感光学谐振腔5与表面开窗的参考谐振腔6同时受到待测物质的影响，都会有一个波长漂移，而波长漂移的表达式为：
其中，λ为波长，dλ为波长漂移量，neff为有效折射率；dneff为有效折射率的变化量，ng为群折射率。
可见，波长漂移量不受环长的影响，所以这两个环的波长漂移是一样的，体现在第二接收器92的光谱移动，其移动波长大小与单环一样的。通过级联谐振谱包络的移动可以看出表面开窗的传感光学谐振腔5谐振谱移动的FSR数量。
下面用实际的数据来直观的展示。当窗口区不加待测物质，假设环形谐振腔的波导有效折射率是1.700。图2是通路1中各谐振腔的谐振谱(T7和T5)和总的输出谱(T82)，图3是通路2中各谐振腔的谐振谱(T6和T5)总的输出谱(T81)。当加入待测物质，环形谐振腔的波导有效折射率由1.700变为1.701时，输出谱T82和T81均发生偏移。图4显示了这种变化，谐振谱T82向右偏移了12nm，而谐振谱T81向右偏移了0.5nm。从谐振谱T81的偏移可以清晰地看到，其偏移并未超出传感环5的一个FSR。当加入待测物质，环形谐振腔的波导有效折射率由1.700变为1.703时，T82和T81发生了偏移。图5显示，谐振谱T82向右偏移了14nm，而谐振谱T81向右偏移了1.5nm。谐振谱T81的偏移量超出了表面开窗的传感光学谐振腔5的一个FSR，其偏移量在一个FSR和两个FSR之间，所以应该对T82的偏移进行修正。T82的偏移应该为14nm加上表面开窗的传感光学谐振腔5和表面不开窗的参考光学谐振腔7构成的双环的FSR，由图中可以看出该FSR为22nm，所以T82的偏移应为36nm。这种结构扩宽了双环传感器的测量范围，进过理论计算其扩宽的倍数M为:
其中，FSR6和FSR5分别是表面开窗的参考谐振腔6和表面开窗的传感光学谐振腔5的自由光谱范围(FSR)。
图6是第一探测器91和第二探测器92的光谱随着波导有效折射率变化而移动的示意图。可以看出，当波导折射率由1.700变化为1.7019时，第二探测器92的光谱移动距离已经达到了一个FSR。当有效折射率继续增大的时候，光谱移动距离回落到0，此时已经超出了其测量的范围。但是第一探测器91的光谱移动距离没有回落，而是继续近似线性增加，由此可以通过第一探测器91的光谱来判断第二探测器92移动的FSR数量。同时第二探测器92的灵敏度远远大于第一探测器91，这样大大增加了本传感器的传感灵敏度。
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 (4)
1.一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光学传感器，其特征在于，它包括波长可调光源（1）、输入光栅（2）、Y分支分束器（3）、第一连接波导（41）、第二连接波导（42）、第三连接波导（43）、第四连接波导（44）、表面开窗的传感光学谐振腔（5）、表面开窗的参考光学谐振腔（6）、表面不开窗的参考光学谐振腔（7）、第一输出光栅耦合器（81）、第二输出光栅耦合器（82）、第三输出光栅耦合器（83）、第四输出光栅耦合器（84）和第一探测器（91）、第二探测器（92）、第三探测器（93）、第四探测器（94）；所述波长可调光源（1）与输入光栅（2）连接；所述输入光栅（2）与Y分支分束器（3）的输入端口（31）连接；所述Y分支分束器（3）的两个输出端口（32、33）分别与第三连接波导（43）和第四连接波导（44）相连；第一连接波导（41）和第二连接波导（42）均与表面开窗的参考光学谐振腔（6）耦合；第二连接波导（42）和第三连接波导（43）均与表面开窗的传感光学谐振腔（5）耦合；第三连接波导（43）和第四连接波导（44）均与表面不开窗的参考光学谐振腔（7）耦合；第一连接波导（41）、第一输出光栅耦合器（81）、第一探测器（91）依次连接，第二连接波导（42）、第二输出光栅耦合器（82）、第二探测器（92）依次连接，第三连接波导（43）、第三输出光栅耦合器（83）、第三探测器（93）依次连接，第四连接波导（44）、第四输出光栅耦合器（84）、第四探测器（94）依次连接。
2.根据权利要求1所述一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光学传感器，其特征在于，所述表面开窗的传感光学谐振腔（5）、表面开窗的参考光学谐振腔（6）、表面不开窗的参考光学谐振腔（7）均具有周期滤波特性的结构。
3.根据权利要求2所述一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光学传感器，其特征在于，所述具有周期滤波特性的结构为法布里泊罗腔或者环形谐振腔。
4.根据权利要求1所述一种基于级联光学谐振腔大范围高灵敏度光学传感器，其特征在于，所述表面开窗的传感光学谐振腔（5）、表面开窗的参考光学谐振腔（6）、表面不开窗的参考光学谐振腔（7）可由平面集成光波导、分立光学元件或者光纤构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |