CN110926347A - 一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，包括位移传感模块和信号处理模块；所述位移传感模块包括光源、微纳波导、探测器，所述微纳光波导由三根波导组成，以串联平行排布的方式置于低折射衬底上，互相间可以实现高效的倏逝场耦合；所述信号处理模块，包括放大电路、整形电路、细分电路、A/D转换器、单片机处理电路等。本发明与现有光学微位移传感器相比，采用了横向尺寸仅为100nm量级的微纳波导作为主要光学元件，结构紧凑、体积减小，有利于此类器件的微型化与集成化。本发明用于微位移的测量。

Description

一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器
技术领域
本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器。
背景技术
随着机械制造、计量科学、材料科学等学科的迅猛发展，高精度微位移测量技术日益受到人们的关注，并在微电子系统、微光子系统、精密机械与仪器等领域得到越来越广泛的应用。光学微位移传感器由于具有相应速度快、不受电磁干扰、非接触无损伤、灵敏度高等优点，因而成为高精度微位移传感器的重要发展方向。
目前，光学微位移传感器主要利用光学干涉、衍射等原理，基于分光棱镜(一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置，CN103712562 A)、光子晶体(微位移传感器，CN100582653 C)、光栅(CN106524921 A)等光学结构，并取得了良好的应用。但是，受限于工作原理，现有光学微位移传感通常结构复杂、体积较大(光路尺寸1–10cm量级)，不利于微位移传感器进一步向集成化、微型化方向发展。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、体积小、精度高的基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，包括位移传感模块、信号处理模块，所述位移传感模块包括基座、衬底、滑轨、滑动基底、微纳光波导、光源、探测器，所述基座的上方设置有衬底，所述基座的中部设置有滑轨，所述滑轨上设置有滑动基底，所述微纳光波导包括输入波导、位移波导、输出波导，所述位移波导固定在滑动基底上，所述输入波导和输出波导固定在衬底上，所述输入波导、位移波导、输出波导通过串联形式平行排布，所述输入波导的一端设置有光源，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述输入波导的另一端连接有第一探测器，所述输出波导的终端连接有第二探测器，所述第一探测器和第二探测器均连接有信号处理模块。
所述光源采用LD或LED，所述光源发出的光为输出光，所述输出光的波长在500–1550nm范围内，所述输出光通过微纳光纤或透镜耦合入输入波导，所述输出光的耦合效率大于70％，所述输出光的光谱半高宽小于10nm。
所述输入波导、位移波导、输出波导之间的间距不超过50nm。
所述微纳光波导可采用圆形波导或矩形波导，所述圆形波导的直径为200–800nm，所述矩形波导的宽度为200–800nm，所述矩形波导的高度不超过500nm，所述微纳光波导在工作波长处的光学传输损耗小于1dB/mm。
所述基底采用MgF2基底或蓝宝石基底。
所述信号处理模块包括放大电路、整形电路、细分电路、A/D转换器、单片机处理电路，所述放大电路通过导线与探测器连接，所述放大电路通过整形电路与细分电路连接，所述细分电路通过A/D转换器与单片机处理电路连接。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明采用横向尺寸100nm量级的微纳光波导为核心光学部件，利用微纳光波导的倏逝场耦合效应，实现高精度的微位移传感；相比现有基于光栅、光子晶体、分光棱镜等的光学微位移传感器，具有结构简单、体积小巧的优点，有利于实现此类器件的集成化与微型化，可以应用于微光机电系统等相关领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面结构示意图；
图3为本发明信号处理模块的结构示意图；
图4为本发明微纳光波导倏逝场耦合电场分布图；
图5为本发明输入/输出波导透射光强随位移变化关系图；
其中：1为基座，2为衬底，3为滑轨，4为滑动基底，5为微纳光波导，6为光源，7为第一探测器，8为第二探测器，9为信号处理模块，10为放大电路，11为整形电路，12为细分电路，13为A/D转换器，14为单片机处理电路，501为输入波导，502为位移波导，503为输出波导。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，如图1、图2所示，包括位移传感模块、信号处理模块，位移传感模块包括基座1、衬底2、滑轨3、滑动基底4、微纳光波导5、光源6、探测器，基座1的上方设置有衬底2，基座1的中部设置有滑轨3，滑轨3上设置有滑动基底4，微纳光波导5包括输入波导501、位移波导502、输出波导503，位移波导502固定在滑动基底4上，输入波导501和输出波导503固定在衬底2上，输入波导501、位移波导502、输出波导503通过串联形式平行排布，输入波导501的一端设置有光源6，探测器包括第一探测器7和第二探测器8，输入波导501的另一端连接有第一探测器7，输出波导503的终端连接有第二探测器8，第一探测器7和第二探测器8均连接有信号处理模块9，光源6发出输出光耦合入输入波导501中，在其中经过一段距离的传输后，一部分能量通过倏逝场耦合的方式进入位移波导502中，另一部分能量继续保持在输入波导501中传输并最终由第一探测器7检测，进入位移波导502中的光分量，继续沿波导传输，其中的一部分能量再次通过倏逝场耦合进入输出波导503，并最终由第二探测器8接收探测，当被测物发生微小位移时，会带动位移波导502沿滑轨方向一并移动，从而使得微纳光波导5之间耦合状态发生变化，导致输入波导501和输出波导503的输出光强发生剧烈变化。第一探测器7和第二探测器8随即检测到该变化，并以初级电信号的形式将其送至信号处理模块9进行分析处理。
进一步，优选的，光源6采用LD或LED，光源6发出的光为输出光，输出光的波长在500–1550nm范围内，输出光通过微纳光纤或透镜耦合入输入波导501，输出光的耦合效率大于70％，输出光的光谱半高宽小于10nm。
进一步，优选的，输入波导501、位移波导502、输出波导503之间的间距不超过50nm。
进一步，优选的，微纳光波导5可采用圆形波导或矩形波导，圆形波导的直径为200–800nm，矩形波导的宽度为200–800nm，矩形波导的高度不超过500nm，微纳光波导5在工作波长处的光学传输损耗小于1dB/mm。
进一步，优选的，基底1采用MgF2基底或蓝宝石基底，此类材料的折射率低，可以实现良好的光学导波。
进一步，信号处理模块9包括放大电路10、整形电路11、细分电路12、A/D转换器13、单片机处理电路14，放大电路10通过导线与探测器连接，放大电路10通过整形电路11与细分电路12连接，细分电路12通过A/D转换器13与单片机处理电路14连接，第一探测器7和第二探测器8以初级电信号的形式将其送至信号处理模块9进行分析处理，经过放大、整形、细分、A/D转换后进入单片机处理电路14进行数据分析与处理，并最终得到输出信号。
本发明的工作原理为：光源发出的输出光通过微纳光纤或透镜耦合入输入波导中，在其中经过一段距离的传输后，一部分能量通过倏逝场耦合的方式进入位移波导中，另一部分能量继续保持在输入波导中传输并最终由第一探测器检测，进入位移波导中的光分量，继续沿波导传输，其中的一部分能量再次通过倏逝场耦合进入输出波导，并最终由第二探测器接收探测，当被测物发生微小位移时，会带动位移波导沿滑轨方向一并移动，从而使得微纳光波导之间耦合状态发生变化，导致输入波导和输出波导的输出光强发生剧烈变化。第一探测器和第二探测器随即检测到该变化，并以初级电信号的形式将其送至信号处理模块进行分析处理，依次经过放大、整形、细分、A/D转换后进入单片机处理电路进行数据分析与处理，并最终得到输出信号。
在倏逝场耦合过程中，由微纳光波导传输理论可知，如图5所示，耦合效率与耦合长度的关系满足余弦曲线。当位移波导相对输入波导发生△L的位移时，二者耦合长度改变△L，使得二者间耦合效率发生改变，从而导致输入波导透射光强发生改变。与此同时，位移波导相对输出波导同样发生△L的位移，由于三根波导采用了串联式平行排布的方式，因此二者耦合长度改变-△L，这同样导致了耦合效率的改变，并使得输出波导透射光强发生变化。
由以上分析可知，对于输入波导而言，其最终透射光强与位移量满足cos(AL)关系，其中A为与波导参数有关的常量，L为耦合长度。对于输出波导而言，由于其最终透射输出的光分量经历过两次倏逝场耦合过程(分别为由输入波导至位移波导，以及由位移波导至输出波导)，因此当三段微纳光波导彼此间的耦合长度满足耦合长度相差1/4光波长时，其透射光强与位移量满足sin(2AL)关系。输入/输出波导透射光强随位移变化关系图如图5所示。输出信号变化周期为6μm，因此当细分电路细分倍数为100时，灵敏度可达10nm量级。此外由图5可见，二条曲线斜率为0处所对应的横坐标位置不同，从而满足后续信号处理的要求，最终保证了器件在全量程范围内对微位移有较高的响应灵敏度。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：包括位移传感模块、信号处理模块，所述位移传感模块包括基座(1)、衬底(2)、滑轨(3)、滑动基底(4)、微纳光波导(5)、光源(6)、探测器，所述基座(1)的上方设置有衬底(2)，所述基座(1)的中部设置有滑轨(3)，所述滑轨(3)上设置有滑动基底(4)，所述微纳光波导(5)包括输入波导(501)、位移波导(502)、输出波导(503)，所述位移波导(502)固定在滑动基底(4)上，所述输入波导(501)和输出波导(503)固定在衬底(2)上，所述输入波导(501)、位移波导(502)、输出波导(503)通过串联形式平行排布，所述输入波导(501)的一端设置有光源(6)，所述探测器包括第一探测器(7)和第二探测器(8)，所述输入波导(501)的另一端连接有第一探测器(7)，所述输出波导(503)的终端连接有第二探测器(8)，所述第一探测器(7)和第二探测器(8)均连接有信号处理模块(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：所述光源(6)采用LD或LED，所述光源(6)发出的光为输出光，所述输出光的波长在500–1550nm范围内，所述输出光通过微纳光纤或透镜耦合入输入波导(501)，所述输出光的耦合效率大于70％，所述输出光的光谱半高宽小于10nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：所述输入波导(501)、位移波导(502)、输出波导(503)之间的间距不超过50nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：所述微纳光波导(5)可采用圆形波导或矩形波导，所述圆形波导的直径为200–800nm，所述矩形波导的宽度为200–800nm，所述矩形波导的高度不超过500nm，所述微纳光波导(5)在工作波长处的光学传输损耗小于1dB/mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：所述基底(1)采用MgF2基底或蓝宝石基底。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳光波导倏逝场耦合效应的微位移传感器，其特征在于：所述信号处理模块(9)包括放大电路(10)、整形电路(11)、细分电路(12)、A/D转换器(13)、单片机处理电路(14)，所述放大电路(10)通过导线与探测器连接，所述放大电路(10)通过整形电路(11)与细分电路(12)连接，所述细分电路(12)通过A/D转换器(13)与单片机处理电路(14)连接。
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