CN109579886A - 一种高集成度光纤干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种高集成度光纤干涉仪。它由光源、单模单芯输入光纤、第一分光锥形耦合区、单模双芯传感光纤、合光锥形耦合区、单模单芯传输光纤、第二分光锥形耦合区、单模双芯输出光纤、以及光电探测芯片组成。本发明使用在集成电路工艺中设计的与输出光纤纤芯位置和形状相匹配的光电探测器芯片对干涉光输出进行收集，光电转换和数据处理。这大幅提高了整体系统的集成度，减小了干涉仪系统的体积，降低了系统复杂程度同时增加了可靠性。本发明可用于温度、压力、磁力等多种物理量的精确测量与实时监测，可作为传感器节点广泛用于传感器网络和物联网系统。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种高集成度光纤干涉仪，本发明可用于对于温度、压力、磁力等多种物理量的精确测量与实时监测，可作为传感器节点广泛用于传感器网络和物联网系统。属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
光纤干涉仪作为一种用于感知外界信息或者物理量测量的光学传感工具，已经在城市施工建设，环境检测，食品安全检测，医学及生物传感器方面获得了广泛的应用。目前，光纤干涉仪的研究在充分提高和利用现有光纤传感技术的基础上，正在向着多功能化、小型化、集成化的方向发展，对于微小样品以及适用于狭小空间的光纤传感器越来越多的受到人们的关注。因此，设计出高度集成的，超小型的光纤干涉仪具有重要的意义。
常见的光纤干涉仪的构成包括多条传输和传感光纤，光纤耦合器，反射镜，光电探测器(光电二极管，单光子探测器或者CCD探测器)，光电前置放大器等分立光学和电子元件构成。由于内部包含多种分立器件，使得其在尺寸方面难以小型化，安装工艺复杂。除此之外，参考和测量等多根光纤的分立，使得二者容易受到空间环境不同的影响，造成测量误差，难以满足对于机械和温度稳定性要求较高的传感和测量应用。
为了克服以上影响，设计出小型的、高度集成的光纤干涉仪，苑立波等于2006年、2007年和2011年公开的集成为单根光纤的迈克尔逊干涉仪(中国专利：CN200610010422.2)，纤维集成式马赫曾德干涉仪及其制造方法(中国专利：CN200710072625.9)和一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器(中国专利：CN201110225071.8)在单根光纤中实现了光纤干涉仪的光路传输和传感系统的制备，提高了干涉仪的稳定性，同时很大程度上缩小了干涉仪的体积。
但在上述干涉仪系统中用于光电信号检测的光电探测器、CCD探测器或者光谱分析仪仍然为分立器件或仪器，这使得整体干涉仪系统的体积仍然较大。分立电子器件如光电探测器、前置放大器以及信号处理系统之间的连接所产生的寄生电感、电容和电阻也会降低探测速度同时也容易成产生噪声。除此之外，当干涉仪输出端需要使用多光路输出时(如在干涉仪的干涉光路输出端进行两路耦合分光，对干涉信号进行差分以抑制共模噪声)，需要使用多个分立的光电探测器，多条输出光纤，以及相应的耦合器进行连接，这增加了系统的体积和制备复杂度，同时容易引入额外噪声。
本发明公开了一种高集成度光纤干涉仪。它使用单根光纤用于干涉仪的传感和传输，并在光纤内部对于干涉光波进行耦合分光，使用双芯光纤进行输出。它使用在集成电路工艺中设计的与输出光纤末端两个纤芯位置和形状相匹配的光电探测器芯片对干涉光输出信号进行收集，光电转换和数据处理。与现有设计相比，由于所需的多个后端分立器件，如光电探测器，差分放大器或者前端放大器等集成于同一芯片，使得整体系统的集成度大幅提高，减小了干涉仪系统的体积。本系统对于双芯光纤的输出光信号可直接进行收集，不需要额外的光纤以及耦合器等光学器件，降低了系统复杂程度以及成本，增加了可靠性。除此之外，电子相关的器件和电路的片上连接，相对于分立器件的连接，大幅降低了连接线路中所产生的寄生电容、电感和电阻，提高了整体光电探测和信号处理的速度同时降低了噪声。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种高集成度光纤干涉仪。可用于温度、压力、磁力等多种物理量的精确测量与实时监测，可作为传感器节点广泛用于传感器网络和物联网系统。
它由光源1、单模单芯输入光纤2、第一分光锥形耦合区3、单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6、第二分光锥形耦合区7、单模双芯输出光纤8、以及光电探测芯片9组成。其中光电探测芯片9由两个完全相同的片上光电二极管91、92、片上差分信号放大器93以及片上信号处理和功能电路94组成。
本发明是这样实现的：所述系统中光源1发出的光信号经由单模单芯输入光纤2和第一分光锥形耦合区3，送入单模双芯传感光纤4。单模双芯传感光纤4的其中一个部分，可以是其中一个纤芯，也可以是双纤芯处于测试区域中。受到外界测试变量的影响，两个纤芯中传输的光波之间产生光程差并通过合光锥形耦合区5和单模单芯传输光纤6进行叠加产生干涉效应。单模单芯传输光纤6中传输的光波通过第二分光锥形耦合区7被分为功率相等，相位相反的光波并通过单模双芯输出光纤8传输。光电探测芯片9中的两个片上光电二极管91、92将单模双芯输出光纤8传输的光信号转换为电信号，并通过片上差分信号放大器93以及信号处理和功能电路94进行处理并且输出测量结果。
光源1可以选择LED光源、SLD光源、ASE光源中的一种。
光电探测芯片9中的片上光电二极管91、92、片上差分信号放大器93以及片上信号处理和功能电路94集成于同一块芯片上，芯片制造工艺尺寸可以是0.8μm，0.35μm，0.18μm，0.13μm，90nm以及65nm的标准集成电路工艺中的一种。光电探测芯片9中的片上光电二极管91、92结构，大小相同，他们在芯片上的位置与单模双芯输出光纤8端面的两个纤芯的位置，大小相对应。光电二极管91、92的感光面积略微大于纤芯大小以确保光信号的收集。光电探测芯片9中除了光电二极管91、92之外的芯片面积用于容纳差分信号放大器93以及信号处理和功能电路94。片上光电二极管91、92及片上差分信号放大器93的连接方式为芯片的片上集成连接，经过片上差分信号放大器93后，与干涉测量无关的光强和噪声被抑制，干涉信号增强。
单模单芯输入光纤2、第一分光锥形耦合区3、单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6、第二分光锥形耦合区7、单模双芯输出光纤8集成于单根光纤中，其制作方法为：将单模单芯输入光纤2的输出端与单模双芯传感光纤4的输入端直接熔接，并在焊点处加热实施熔融拉锥，形成合光锥形耦合区5，在停止拉伸后对锥体耦合区进行封装保护。将单模单芯传输光纤6的输入端和输出端分别与单模双芯传感光纤4的输出端和单模双芯输出光纤8的输入端直接熔接，并在焊点处加热实施熔融拉锥，形成合光锥形耦合区5和第二分光锥形耦合区7，在停止拉伸后对锥体耦合区进行封装保护。
单模双芯传感光纤4的一部分区域为系统的传感区域位。待测物对单模双芯传感光纤4的影响类型可根据应用的不同而定，可为温度、压力、电场、磁场等对光纤形状或光纤内传输的光信号的影响。在待测物的外部影响下，单模双芯传感光纤4的两个纤芯中传输的光波会产生光程差，在合光锥形耦合区5产生干涉光并在单模单芯传输光纤6进行传输。
为了实现输出光信号的噪声抑制，同时对所测量有效信号的放大增强。在单模单芯传输光纤6中传输的干涉光波通过第二分光锥形耦合区7被分为功率相等、相位相反的光波并通过单模双芯输出光纤8被两个匹配的光电二极管91、92接收。这两个光电二极管的输出与一个差分放大器连接，两个输出信号经过差分放大，去除信号中的平均光强和噪声，同时放大测量有效的信号。
片上集成的光电二极管可以是PIN光电二极管和雪崩光电二极管结构的一种。
片上集成的信号处理和功能电路可以是模拟数字转换器(ADC)，数据储存电路，接口电路，电源管理电路中的一种或者几种的组合。
本发明相比现有技术的优点在于：1.将马赫曾德干涉仪的光路传输和干涉集成于单根光纤中，在同根光纤中，还同时实现了耦合分光输出(用于差分计算以抑制共模噪声)，这提高系统集成度以及有效补偿环境变化对干涉仪的影响的同时，对平均光强和噪声起到了抵消和抑制作用，并且对有用信号进行放大，进而提高了干涉仪的灵敏度；2.结合所设计的与双芯输出光纤匹配的光电探测芯片，构成高集成度的光纤干涉仪系统。对于双芯光纤的输出光信号可直接进行光信号收集，不需要额外的光纤和耦合器，降低了系统装配的复杂程度，避免了由于装配、固定和调整带来的误差，增加了系统的可靠性。3.多个后端分立电子器件，如光电探测器，前端放大器或者差分放大器等集成于同一芯片，使得整体系统的集成度大幅提高，减小了干涉仪系统的体积，使得系统紧凑，使用简单。4.电子相关器件及电路(如光电探测器，前端放大器或者差分放大器)的片上连接，相对于分立器件的连接，大幅降低了连接线路中所产生的寄生电容、电感和电阻，提高了整体光电探测和信号处理的速度同时降低了噪声。
(四)附图说明
图1是高集成度的光纤干涉仪系统示意图。它由光源1、单模单芯输入光纤2、第一分光锥形耦合区3、单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6、第二分光锥形耦合区7、单模双芯输出光纤8、以及光电探测芯片9组成。其中光电探测芯片9由两个完全相同的片上光电二极管91、92、片上差分信号放大器93以及片上信号处理和功能电路94组成。
图2是本发明所提出的光纤干涉仪系统的输出光纤201与光电探测芯片202结合的示意图。光电探测芯片202的芯片内核203中的两个光电二极管204与光纤输出端口的两个纤芯205位置一致，感光面积略微大于纤芯大小以确保光信号的收集，芯片内核203中的其他功能电路206包括差分放大器以及数据处理电路则分布于除了光电探测器之外的芯片上。
图3是集成化的干涉仪的外形示意图，本发明所描述的集成干涉仪可以是一个小型的传感器模块，包括模块封装301、光源302、光电探测和数据处理芯片303和单根光纤304。单根光纤304的传感部分305处于于传感器模块封装301之外的测试区域，用于温度、流体、溶液、应力、磁力等物质或者参数的测量。
图4是本发明所述的干涉仪传感器模块通过线路输出探测结果的示意图，干涉仪传感器模块401处于一块电子电路板402上，电子电路板402的一端的电路连线403包括电子电路板402的供电线路，信号控制线路以及干涉仪传感器模块401的探测结果输出线路。
图5是本发明所述的干涉仪传感器模块通过无线传输探测结果的示意图，干涉仪传感器模块501处于一块电子电路板502上，电子电路板502上还接有供电模块503和无线收发模块504。供电模块503可以是电池或者是太阳能板结合蓄电池的电源模块。通过无线收发模块504，干涉仪传感器模块501可以进行探测结果的无线传输，数据上传到云数据中心，作为物联网的一个传感器节点的参考数据。
图6是本发明所述的高度集成化的干涉仪传感器被用作磁力传感器的示意图，它由光源601、单模单芯输入光纤602、第一分光锥形耦合区603、单模双芯传感光纤604、合光锥形耦合区605、单模单芯传输光纤606、第二分光锥形耦合区607、单模双芯输出光纤608、以及光电探测芯片609组成。其中光电探测芯片609由两个完全相同的片上光电二极管691、692、片上差分信号放大器693、模拟数字转换器(ADC)电路694、片上存储器695、接口电路696组成。模块中，在传感双芯光纤604上外贴一层磁致伸缩材料610。在外界磁场变化时，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致双芯传感光纤中两个光芯中传输的光的光程产生变化。两个光程不同的光波经过合光锥形耦合区605和单模单芯传输光纤606进行叠加产生干涉效应。在经过第二分光锥形耦合区607被分为功率相等，相位相反的光波并通过单模双芯输出光纤608传输到光电探测芯片609的两个光电二极管691、692上。光电二极管91、92将光信号转换为电信号，通过差分放大器693抑制共模噪声，放大有效信号。差分放大器693的输出通过芯片片上的模拟数字转换器(ADC)电路694转换成数字信号并且储存在片上存储器695。
图7是所述磁力传感器在外界磁场变化时，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致双芯传感光纤中两个光芯中传输的光的光程产生变化的示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实例一：如图3所示，本发明所描述的集成干涉仪可以是一个小型的传感器模块，包括模块封装301、光源302、光电探测和数据处理芯片303和单根光纤304。单根光纤304的传感部分305处于传感器模块封装301之外的测试区域。模块可用于温度、压力、磁力等多种物理量的精确测量与实时监测，可作为传感器节点广泛用于传感器网络和物联网系统。
传感器模块的探测结果可以通过线路连接被外部系统读出，如图4所示，干涉仪传感器模块401处于一块电子电路板402上，电子电路板402的一端的电路连线403包括电子电路板402的供电线路，信号控制线路以及干涉仪传感器模块401的探测结果输出线路。
传感器模块的探测结果也可以通过无线收发器进行无线传输，数据上传到云数据中心，作为物联网的一个传感器节点的参考数据，如图5所示，干涉仪传感器模块501处于一块电子电路板502上，电子电路板502上还接有供电模块503和无线收发模块504。供电模块503可以是电池或者是太阳能板结合蓄电池的电源模块。通过无线收发模块504，干涉仪传感器模块501可以进行探测结果的无线传输，数据上传到云数据中心，作为物联网的一个传感器节点的参考数据。
实例二：结合附图6，下面详述一个当本发明被用做磁力传感器模块的实例。它由光源601、单模单芯输入光纤602、第一分光锥形耦合区603、单模双芯传感光纤604、合光锥形耦合区605、单模单芯传输光纤606、第二分光锥形耦合区607、单模双芯输出光纤608、以及光电探测芯片609组成。其中光电探测芯片609由两个完全相同的片上光电二极管691、692、片上差分信号放大器693、模拟数字转换器(ADC)电路694、片上存储器695、接口电路696组成。
光源601发出的脉冲光信号经由单模单芯输入光纤602和第一分光锥形耦合区603，送入单模双芯传感光纤604。传感双芯光纤604上外贴一层磁致伸缩材料610。在外界磁场变化时，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致双芯传感光纤中两个光芯中传输的光的光程产生变化，如图7所示。
两个光程不同的光波经过合光锥形耦合区605和单模单芯传输光纤606进行叠加产生干涉效应。在经过第二分光锥形耦合区607被分为功率相等，相位相反的光波并通过单模双芯输出光纤608传输到光电探测芯片609的两个光电二极管691、692上。两个探测器PD1和PD2输出的信号为：
其中I0为入射光的光强，为测试区域的测量量造成的在两个光纤中传输的光的相位差。Nx/2为信号受到非测量量的影响(如探测器噪声以及线路传输噪声)，产生的噪声。经过片上差动放大器693后，信号输出为：
式中，A为放大器放大系数，由此可见，放大器所输出的平均光强和共模噪声得到抵消和抑制，同时有效信号得到加强。差分放大器的输出信号通过芯片上的模拟数字转换器(ADC)电路694转换成数字信号并且储存在片上存储器695中。通过对放大器输出的信号的读取和处理，可得出光纤中传输信号的光程差，进一步计算出测量量的值或者变化。这些探测结果可以通过线路连接被外部系统读出，如图4所示，也可以通过无线收发器以及天线进行无线传输，数据上传到云数据中心，作为物联网的一个传感器节点的参考数据，如图5所示。
Claims (4)
1.一种高集成度光纤干涉仪。其特征是：它由光源1、单模单芯输入光纤2、第一分光锥形耦合区3、单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6、第二分光锥形耦合区7、单模双芯输出光纤8、以及光电探测芯片9组成。其中光电探测芯片9由两个完全相同的片上光电二极管91、92、片上差分信号放大器93以及片上信号处理和功能电路94组成。所述系统中光源1发出的光信号经由单模单芯输入光纤2和第一分光锥形耦合区3，送入单模双芯传感光纤4。单模双芯传感光纤4的其中一个部分，可以是其中一个纤芯，也可以是双纤芯处于测试区域中。受到外界测试变量的影响，两个纤芯中传输的光波之间产生光程差并通过合光锥形耦合区5和单模单芯传输光纤6进行叠加产生干涉效应。单模单芯传输光纤6中传输的光波通过第二分光锥形耦合区7被分为功率相等，相位相反的光波并通过单模双芯输出光纤8传输。光电探测芯片9中的两个片上光电二极管91、92将单模双芯输出光纤8传输的光信号转换为电信号，并通过片上差分信号放大器93以及信号处理和功能电路94进行处理并且输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的光纤干涉仪传感器系统中的光电探测芯片9，其特征是：光电探测芯片9中的片上光电二极管91、92、片上差分信号放大器93以及片上信号处理和功能电路94集成于同一块芯片上，芯片制造工艺尺寸可以是0.8μm，0.35μm，0.18μm，0.13μm，90nm以及65nm的标准集成电路工艺中的一种。光电探测芯片9中的片上光电二极管91、92结构、大小相同，他们在芯片上的位置与单模双芯输出光纤8端面的两个纤芯的位置、大小相对应。光电探测芯片9中除了光电二极管91、92之外的芯片面积用于容纳差分信号放大器93以及信号处理和功能电路94。片上光电二极管91、92及片上差分信号放大器93的连接方式为芯片的片上集成连接，经过片上差分信号放大器93后，与干涉测量无关的光强和噪声被抵消，干涉信号增强。
3.根据权利要求1所述的光纤干涉仪系统的光纤部分，其特征是：单模单芯输入光纤2、第一分光锥形耦合区3、单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6、第二分光锥形耦合区7、单模双芯输出光纤8集成于单根光纤中，其制作方法为：将单模单芯输入光纤2的输出端与单模双芯传感光纤4的输入端直接熔接，并在焊点处加热实施熔融拉锥，形成合光锥形耦合区5，在停止拉伸后对锥体耦合区进行封装保护。将单模单芯传输光纤6的输入端和输出端分别与单模双芯传感光纤4的输出端和单模双芯输出光纤8的输入端直接熔接，并在焊点处加热实施熔融拉锥，形成合光锥形耦合区5和第二分光锥形耦合区7，在停止拉伸后对锥体耦合区进行封装保护。
4.根据权利要求1所述的单模双芯传感光纤4、合光锥形耦合区5、单模单芯传输光纤6。其特征是：单模双芯传感光纤4的一部分区域为系统的传感区域位。待测物对单模双芯传感光纤4的影响类型可根据应用的不同而定，可为温度，压力，电场，磁场等对光纤形状或光纤内传输的光信号的影响。在待测物的外部影响下，单模双芯传感光纤4的两个纤芯中传输的光波会产生光程差，在合光锥形耦合区5产生干涉光并在单模单芯传输光纤6进行传输。
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