CN110017925A - 一种基于m-z结构的波导压力传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于M‑Z结构的波导压力传感器及检测方法，基于M‑Z结构的波导压力传感器包括单波长光源、M‑Z结构和光功率计；所述单波长光源、M‑Z结构和光功率计依次连接，所述M‑Z结构包括依次连接的输入耦合器、由两根长度不同的单模波导组成的压力传感区、输出耦合器。本发明提供的波导压力传感器，利用有效折射率的变化来测量压力大小，因而不会改变施力物体本身的性质；相比传统检测方法本专利的测量精确度可以达到0.001μW，量程可以达到12Mpa；同时，压力检测过程完全基于晶体的光弹效应和干涉效应，无电流产生，因此零功耗节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于M-Z结构的波导压力传感器及检测方法，属于压力检测技术领域。
背景技术
传感技术同计算机技术与通信一起被称为信息技术的三大支柱。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理(变换)和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器(又称换能器)、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。传感技术是当今世界的前沿技术，其发展迅猛，令人瞩目，被广泛的应用于生活和生产等各个领域。其中压力传感器作为最常用的传感器，广泛用各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道、海洋等诸多行业和领域。
目前在军事领域,比如航天器材、飞机等领域压力的控制及监测，海洋领域以及健康状态监测等领域,对压力传感器的性能提出更高的要求,尤其是为了满足社会需求,对压力传感器的精度、敏感度、稳定性等要求也越来越高。目前应用于测量压力的传感器有光纤光栅压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等，而现如今，利用折射率变化来测量压力已成为一种趋势，由于它不易改变被测物质本身的性质以及损耗低等优势得到广泛应用。
现有技术中，如传统的M-Z结构干涉型光学压力传感器大都基于力敏薄膜，测量量程受到薄膜的断裂压力的限制因而量程有限；硅基光学MEMS压力传感器主要通过输出光强的变化来检测压强的大小,但是压强和光强之间为非线性关系，所以该传感器为非线性的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于M-Z结构的波导压力传感器及检测方法。
本发明所提供的基于M-Z结构的压力传感器，利用有效折射率的变化来测量压力大小，因而不会改变施力物体本身的性质；相比传统检测方法在保证较高精确度的同时，具有更大的量程；同时，压力检测过程完全基于晶体的光弹效应和干涉效应，无电流产生，因此零功耗节能环保。
名词解释
M-Z：Mach-Zehnder，马赫-曾德。
本发明的技术方案为：
一种基于M-Z结构的波导压力传感器，包括单波长光源、M-Z结构和光功率计；所述单波长光源、M-Z结构和光功率计依次连接，所述M-Z结构包括依次连接的输入耦合器、由两根长度不同的单模波导组成的压力传感区、输出耦合器。波导压力传感器中，单波长光源用于提供单波长光信号；M-Z结构用于将其所受应力的变化转变为通过其光信号功率的变化；光功率计用于对经过M-Z结构的光信号功率进行检测。在M-Z结构中，输入耦合器用于把输入光信号在保持相位不变的前提下等分为两份；两根长度不同的单模波导用于在上下两光路间产生相位差；输出耦合器用于把两路光信号耦合进一个输出通道。
单波长光源产生的一束单波长光信号，经过所述输入耦合器，单波长光信号按功率被等分为两束，两束单波长光信号具有相同的相位，经过两根长度不同的单模波导后，将两束单波长光信号送入所述输出耦合器发生干涉叠加，通过光功率计检测输出耦合器输出端的光功率，即检测无压力状态或常规压力下的光功率值。
由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，波导在外力的作用下产生应变，应变又导致波导的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。当对M-Z结构施加压力或其承受压力发生变化，波导材料的光学性质也会发生变化，这将导致其折射率发生改变，导致两束光的相位延迟不同。此时光功率计探测到的功率值与无压力状态(或常规压力)下的光功率值的比值即可反应M-Z结构所受压力的变化，由此达到检测压力的目的。
根据本发明优选的，两根单模波导中一根为直线形，另一根为正弦形、拼接形或螺旋形，两根单模波导之间的长度差值ΔL为0-100mm。ΔL越小则量程越大,精度越低；ΔL越大则量程越小，精度越高。
根据本发明优选的，所述单模波导包括芯层、上限制层、下限制层和基底，上限制层、下限制层和基底自上到下依次设置，芯层设置在下限制层中，且芯层的上部与上限制层相连接。
根据本发明优选的，所述基底的材料为Si，所述芯层的材料为SiO2。Si和SiO2材料的物理化学性能稳定，且制备工艺也相对成熟，广泛应用于各类光学设备的生产中。同时，Si和SiO2材料对于压力反应较为敏感，压力变换易引起光学性质的改变。
根据本发明优选的，所述单模波导为条形波导或脊形波导，所述单模波导的宽度为0.5-8μm，所述单模波导的厚度为0.5-8μm。
根据本发明优选的，所述压力传感区的两根长度不同的单模波导上部设置有均力模块。
根据本发明优选的，所述均力模块的形状为正四棱锥。待测压力作用在均力模块尖端，压力经均力模块后均匀施加在折射率敏感区域。
根据本发明优选的，所述均力模块的底面设置在所述压力传感区上，且所述均力模块的底面与压力传感区的表面相重合。
上述基于M-Z结构的波导压力传感器的检测方法，包括步骤如下：
(1)输入单波长光信号，在未施加压力时，使用光功率计测得到波导压力传感器输出光功率P1；
(2)输入单波长光信号，对压力传感区施加压力，使用光功率计测得到波导压力传感器输出光功率P2；
(3)由公式(Ⅰ)求出压力传感区上施加的压力σ，公式(Ⅰ)如下：
公式(Ⅰ)中，P1和P2由步骤(1)和步骤(2)测得，nc为单模波导的有效折射率；κ为比例系数；σ为压力传感区上施加的压力；ΔL为两根长度不同的单模波导之间的长度差值。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述波导压力传感器，巧妙利用材料的光弹效应；两束光入射到设计好的两道长度不对称波导中，由于压力引起的不同方向折射率变化差异会引起不同方向的偏振光相位偏移不等，不同压力下的合束光具有不同的光功率，在功率变化的单调区间内可以现器件的压力检测的功能。
2、本发明所述波导压力传感器，利用光弹效应来测量压力的大小，因而不会改变施力物体本身的性质，亦有着较高的测量精度。
3、本发明所述波导压力传感器，相较于传统的水压传感器在保证测量精度的同时，还具有更大的量程，这是由于传统装置都基于力敏薄膜，测量量程受到薄膜的断裂压力的限制，且工艺复杂，而本设计工艺相对简单，且在水下可整体受力且耐压力更强，具有更大的量程。
4、本发明所述波导压力传感器，设计对输出光强度进行检测，测量简单易行并且成本低。
5.所述压力检测过程完全基于波导材料的光弹性效应，无电流产生，因此零功耗节能环保。
附图说明
图1为基于M-Z结构的波导压力传感器的结构示意图；
图2为单模波导的截面结构示意图；
图3为均力模块的主视图；
图4为均力模块的俯视图；
图5为压力传感区施加压力时的输出光功率P2与未施加压力时的输出光功率P1之比随压力值变化示意图；
图6为两根单模波导分别为直线形与正弦形的结构示意图；
图7为两根单模波导分别为直线形与圆弧拼接形的结构示意图；
图8为两根单模波导分别为直线形与圆弧、直线拼接形的结构示意图；
图9为两根单模波导分别为直线形与螺旋形的结构示意图。
1、上限制层；2、下限制层；3、基底；4、芯层；5、单波长光源；6、M-Z结构；7、光功率计；8、输入耦合器；9、压力传感区，10、输出耦合器，11、单模波导，12、直线波导，13、圆弧波导。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于M-Z结构的波导压力传感器，如图1所示，包括单波长光源5、M-Z结构6和光功率计7；单波长光源5、M-Z结构6和光功率计7依次连接，M-Z结构6包括依次连接的输入耦合器8、由两根长度不同的单模波导11组成的压力传感区9、输出耦合器10。如图6所示，两根单模波导11中一根为直线形，另一根为正弦形，两根单模波导11之间的长度差值ΔL为0-10mm。由于正弦形在光学仿真软件中容易设计，并导出制版图，所以可作为优先选择的类型。
单模波导11为条形波导或脊形波导，单模波导11的宽度为0.5-8μm，单模波导11的厚度为0.5-8μm。如图2所示，单模波导11包括芯层4、上限制层1、下限制层2和基底3，上限制层1、下限制层2和基底3自上到下依次设置，芯层4设置在下限制层2中，且芯层4的上部与上限制层1相连接。
基底3的材料为Si，芯层4的材料为SiO2，SiO2/Si压力传感器整体为折射率敏感区域，SiO2/Si压力传感器折射率敏感区域主要为波导部分。由于SiO2波导的光弹性效应，当有外力施加或者改变时，此区域不同方向的折射率发生改变，压力作用下不同偏振方向传播速度发生变化，引起两个方向的偏振光的相位改变，进而改变两个偏振光耦合后的输出光强，因此由光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
在本实施例中，传感器量程最大可以达到12Mpa，测试精度能达到0.001μW。当ΔL为10mm时，传感器量程为10Mpa，而传统的波导压力传感器量程不到1Mpa。
实施例2
根据实施例1所提供的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，区别之处在于：
如图7所示，两根单模波导11中，一根为直线形，另一根为圆弧拼接形，两根单模波导11之间长度差值为0-50mm。当ΔL为50mm时，传感器量程为2MPa。
压力传感区9的两根长度不同单模波导11上部设置有均力模块，如图3和图4所示，均力模块的形状为正四棱锥。均力模块的底面设置在压力传感区9上，且均力模块的底面与压力传感区9的表面相重合。
实施例3
根据实施例1所提供的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，区别之处在于：
如图8所示，两根单模波导11中，一根为直线形，另一根为直线波导12两端分别与圆弧波导13进行拼接构成的，两根单模波导11之间长度差值为0-50mm。
实施例4
根据实施例1所提供的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，区别之处在于：
如图9所示，两根单模波导11中一根为直线形，另一根为螺旋形，两根单模波导11之间的长度差值ΔL为50-100mm。其中，当ΔL为100mm时，传感器量程为1Mpa。
实施例5
基于实施例1-4提供的M-Z结构的波导压力传感器的检测方法，包括步骤如下：
(1)设计单模波导11的宽度和厚度；
(2)根据单波长光源5的中心波长1550nm，确定M-Z结构6中两根长度不同的单模波
导11的长度，并确定光器件的尺寸；
(3)将光器件进行封装，得到基于M-Z结构的波导压力传感器；
(4)如果将单波长光源5入射至上述器件，则基于M-Z结构的波导压力传感器处于待工作状态；此状态下对压力传感区9施加压力，则基于M-Z结构的波导压力传感器进行工作；若无光源入射，则基于M-Z结构的波导压力传感器停止工作。
输入单波长光信号，在未施加压力时，使用光功率计7分析波导压力传感器输出光功率P1；
(5)输入单波长光信号，对压力传感区9施加压力，使用光功率计7分析波导压力传感器输出光功率P2；
(6)由公式(Ⅰ)求出压力传感区9上施加的压力σ，公式(Ⅰ)如下：
公式(Ⅰ)中，P1和P2由步骤(1)和步骤(2)测得，nc为单模波导11的有效折射率；κ为比例系数，与材料的性质有关；σ为压力传感区9上施加的压力；ΔL为两根长度不同的单模波导11之间的长度差值。如图5所示，压力传感区9施加压力时的输出光功率与未施加压力时的输出光功率之比随压力值变化示意图。
M-Z结构6所受压力改变了在两根长度不同的单模波导11的光信号的光程，使在波导压力传感器单模波导11中传输的光信号的固有相位差发生改变，进而影响传感器的输出光场强度。
基于M-Z结构的波导压力传感器利用双光束干涉原理，由双光束干涉的原理可知，干涉场的干涉光强I正比于(1+cosΔφ)，Δφ为图2中两根长度不同的单模波导11光信号之间的相位差，Δφ等于2π的整数倍时干涉光强I为极大值，Δφ等于π的整数倍时干涉光强I为极小值。
由P2和P1的比值求出所受压力σ的大小，具体推导如下：
在无压力作用的初始状态下，干涉光强为I1，两根单模波导11中传输的光信号之间的相位差为Δφ1，且I1正比与(1+cosΔφ1)。
在施加压力的状态下，干涉光强为I2，在两根单模波导11中传输的光信号之间的相位差为Δφ2，且I2正比与(1+cosΔφ2)。
施加压力前、后两根单模波导11中传输的光信号之间的相位差的改变量为Δφ′，
公式(Ⅱ)中，δn为光弹效应引起的有效折射率的变化量，ΔL为两根长度不同的单模波导11之间的长度差值。
公式(Ⅲ)中，nc为波导有效折射率。
由公式(Ⅱ)、(Ⅲ)可得：
输出光功率P1正比与干涉光强为I1；
输出光功率P2正比与干涉光强为I2；
由光弹效应可知：δn＝κσ (VI)，
公式(VI)中，κ为比例系数，与材料的性质有关，σ为在压力传感区9上施加的压力。
将(Ⅲ)、(Ⅳ)、(VI)三式带入(V)式得：
公式(Ⅰ)中除了σ全为已知，则可求出σ即应力大小，达到测量压力的目的。
Claims (9)
1.一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，包括单波长光源、M-Z结构和光功率计；所述单波长光源、M-Z结构和光功率计依次连接，所述M-Z结构包括依次连接的输入耦合器、由两根长度不同的单模波导组成的压力传感区、输出耦合器。
2.根据权利要求1所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，两根单模波导中一根为直线形，另一根为正弦形、拼接形或螺旋形，两根单模波导之间的长度差值ΔL为0-100mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，所述单模波导包括芯层、上限制层、下限制层和基底，上限制层、下限制层和基底自上到下依次设置，芯层设置在下限制层中，且芯层的上部与上限制层相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，所述基底的材料为Si，所述芯层的材料为SiO2。
5.根据权利要求3所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，所述单模波导为条形波导或脊形波导，所述单模波导的宽度为0.5-8μm，所述单模波导的厚度为0.5-8μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于,所述压力传感区的两根长度不同的单模波导上部设置有均力模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，所述均力模块的形状为正四棱锥。
8.根据权利要求6所述的一种基于M-Z结构的波导压力传感器，其特征在于，所述均力模块的底面设置在所述压力传感区上，且所述均力模块的底面与压力传感区的表面相重合。
9.权利要求1-8任意一项权利要求所述的基于M-Z结构的波导压力传感器的检测方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)输入单波长光信号，在未施加压力时，使用光功率计测得到波导压力传感器输出光功率P1；
(2)输入单波长光信号，对压力传感区施加压力，使用光功率计测得到波导压力传感器输出光功率P2；
(3)由公式(Ⅰ)求出压力传感区上施加的压力σ，公式(Ⅰ)如下：
公式(Ⅰ)中，P1和P2由步骤(1)和步骤(2)测得，nc为单模波导的有效折射率；κ为比例系数；σ为压力传感区上施加的压力；ΔL为两根长度不同的单模波导之间的长度差值。
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