CN111609873A - 一种波导干涉仪传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导干涉仪传感器，其特征在于，包括：光纤、光纤波导耦合器、波导芯片，光纤用于接收入射的光脉冲，光纤波导耦合器用于耦合来自所述光纤的光脉冲，耦合后的光脉冲在波导芯片中继续传输并发生干涉，波导芯片包括分束器、第一波导、第二波导、合束器，第一波导的一端与分束器的第一输出端连接，第二波导的一端与分束器的第二输出端连接，第一波导的另一端与合束器的第一输入端连接，第二波导的另一端与合束器的第二输入端连接。本发明提供的波导干涉仪传感器，精度高且稳定、结构简单且使用简单，不仅在测量折射率方面具有很高的应用价值，而且为非线性光学、超快光学、量子光学、超冷原子光学等领域提供了新的工具。
Description
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种波导干涉仪传感器。
背景技术
光干涉仪在光波导技术领域占有非常重要的地位，它是根据光的干涉原理制成的一种仪器，其原理是由光纤接收来自入射光的光脉冲，光脉冲经过光纤波导耦合器进入光波导芯片，再通过分束器将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，即可显出干涉条纹。
基于光干涉仪的原理，光干涉仪常常用在折射率测量、电场检测、压力传感、声敏检测等领域，而传统的测量干涉仪主要存在以下问题：
1)精度低。就目前的干涉仪产品而言，以光学组件来说，组件的微小变化会严重改变原有的光学质量；2)测量方式为接触测量。以轮廓仪来说，其使用接触式的测量方式，即使目前已可以微调接触的力量，但对于表面较脆弱的被测量物是否不会造成损害仍无法确定；3)测量速度慢。传统的激光干涉仪需要使用探针来测量，且测量时无法一次测量所有的面积，必需分很多扫瞄线去测量，因此会造成测量的缓慢；4)使用门槛高。传统干涉仪原理较为复杂且使用时会受到环境等条件限制，在测量前需要很多时间来调整。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能够将折射率测量灵敏度达到无穷大的光干涉仪。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种波导干涉仪传感器，包括：
光纤，所述光纤用于接收入射的光脉冲；
与所述光纤的输出端连接的光纤波导耦合器，所述光纤波导耦合器用于耦合来自所述光纤的光脉冲；
与所述光纤波导耦合器连接的波导芯片，所述耦合后的光脉冲在波导芯片中继续传输并发生干涉，所述波导芯片包括分束器、第一波导、第二波导、合束器，所述分束器的输入端与光纤波导耦合器的输出端连接，所述第一波导的一端与分束器的第一输出端连接，所述第二波导的一端与分束器的第二输出端连接，所述第一波导的另一端与合束器的第一输入端连接，所述第二波导的另一端与合束器的第二输入端连接；
所述第一波导为衬底是二氧化硅、波导材质是硅的条形波导；
所述第二波导为衬底是二氧化硅、波导材质是硅、狭缝为空气的狭缝波导。
进一步的，所述分束器的分光比为50：50。
进一步的，所述条形波导是以宽度为1000nm、高度为220nm的硅条波导。
进一步的，所述狭缝波导是以宽度为800nm、高度为220nm的硅分别为上下覆盖层，中间取高度为220nm、宽度为150nm为空气狭缝的波导。
进一步的，所述分束器和合束器为在248nm的互补金属氧化物半导体兼容工艺中制备的Y型连接器。
进一步的，所述Y型连接器的平均插入损耗为0.28±0.02dB，设备占用小于1.2μm×2μm。
进一步的，所述第二波导与所述分束器和合束器的连接处还设有过渡区，所述过渡区用于减小第二波导直接耦合模场失配引起的损耗。
进一步的，所述过渡区为空气或者二氧化硅。
本发明的有益效果是：本发明提供的波导干涉仪传感器是基于光的干涉原理制成的一种仪器，光纤接收来自入射光的光脉冲，经过光纤波导耦合器，进入光波导芯片，通过分束器将来自一个光源的两个光束完全分并，两个光束各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。通过观测波导折射率随波长变化的曲线图和其透射光谱图来找到一个可使干涉仪测量特性达到接近于无穷大的色散转折点。波导芯片构成的干涉仪更加稳定，对于外部温度，振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。干涉仪可应用在长度测量、折射率测定、波长测量还有检测光学元件，本发明涉及的干涉仪适用于高精度下的折射率的测定。
附图说明
图1是本发明一种波导干涉仪传感器的平面示意图；
图2为狭缝波导在波长为1500nm-2500nm群折射率随波长变化的关系图；
图3为条形波导在波长为1500nm-2500nm群折射率随波长变化的关系图；
图4为第一波导和第二波导的群折射率差值在对应波长随波长变化的关系图；
图5为波导干涉仪传感器在波长为1500nm-2500nm损耗与波长变化关系图。
附图标记：1-光纤；2-光纤波导耦合器；3-波导芯片；4-分束器；5-第一波导；6-第二波导；7-合束器；8-过渡区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，下面实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作一些非本质的改进和调整。
请参考图1，本发明实施例提供一种波导干涉仪传感器，包括：光纤1、光纤波导耦合器2、波导芯片3，其中光纤1用于接收入射的光脉冲，光纤波导耦合器2的输入端与光纤1的输出端连接并将光脉冲耦合后输送到波导芯片3中，耦合后的光脉冲在波导芯片3中继续传输并发生干涉，波导芯片3包括分束器4、第一波导5、第二波导6、合束器7，其中分束器4的输入端与光纤波导耦合器2的输出端连接，第一波导5的一端与分束器4的第一输出端连接，第二波导6的一端与分束器4的第二输出端连接，第一波导5的另一端与合束器7的第一输入端连接，第二波导6的另一端与合束器7的第二输入端连接，第一波导5为衬底是二氧化硅、波导材质是硅的条形波导，第二波导6为衬底是二氧化硅、波导材质是硅、狭缝为空气的狭缝波导。
在本实施例中，分束器4的分光比为50：50，也即光脉冲经过分束器4均分为两个光束。
在本实施例中，条形波导的物理结构是以宽度为1000nm、高度为220nm的硅条波导；狭缝波导的物理结构是以宽度为800nm、高度为220nm的硅分别为上下覆盖层，中间取高度为220nm、宽度为150nm为空气狭缝的波导；分束器4和合束器7为在248nm的互补金属氧化物半导体兼容工艺中制备的Y型连接器，此工艺制备方法制备出的Y型连接器不仅体积小、成本低而且损耗小，其平均插入损耗为0.28±0.02dB，设备占用小于1.2μm×2μm；由上述器件构成的波导芯片3用在干涉仪上更加稳定，对于外部温度、振动等变化也更加不敏感；体积更小，封装更为方便。
在本实施例中，为了减小第二波导6直接耦合模场失配引起的损耗，在分束器4和第二波导6之间的连接处设有过渡区8，同理在第二波导6和合束器7之间的连接处也设有过渡区8，过渡区8可以为空气过渡区也可以为二氧化硅过渡区。
上述光脉冲在波导芯片3中发生干涉的过程具体为：光纤波导耦合器2耦合后的光脉冲经分束器4分为两个光束，两个光束分别经过第一波导5和第二波导6，第一波导5和第二波导6的结构不同，光脉冲在第一波导5和第二波导6的光程也不同，之后通过合束器7将两个光束合并，在此形成光脉冲的叠加干涉。具体干涉公式如下：
公式中以下标1表示上路的第一波导5，下标2表示下路的第二波导6。当光经过第一波导5和第二波导6之后的输出频谱强度I为：
上下两路的相位差
可以由下面公式表示：
其中Δn＝neff1-neff2，neff1和neff2为两种波导中同一模式——基模耦合器的有效折射率，Δn为二者的差值。L是交互反应模式的长度，λ是输入波长；
折射率敏感度及灵敏度Sn可以由下式给出：
公式中群折射率
其中ng1-ng2表示上下两路环境折射率群指数的差值，当二者差值为0时，可以达到一个很高的灵敏度。
在经过上下两路时，可以通过群折射率与有效折射率的关系
来得到第一波导5和第二波导6的群折射率，取波长范围为1500nm-2500nm，此时光的模式也只取基模一种模式。由图2和图3可见在一定波长范围内二者的群折射率都是随着波长增加而减小的。由干涉仪灵敏度公式
可知，如果想要得到一个无穷大灵敏度的干涉仪，就需要找到一个狭缝波导和条形波导群折射率为0的点，称这个点为色散转折点。
在图4中，可以看到在波长约为2100nm处出现了色散转折点，并且在图5的反射光谱中得到了验证，2100nm附近在干涉波面的两侧偏离了DTP，表明获得了正的和负的折射率敏感性。
本发明提供的波导干涉仪传感器通过Y型的分束器4，将一个光源分成均等的两个光束，两个光束分别经过下路的第二波导6和上路的第一波导5，之后又通过一个合束器7将经过不同光程的来自一个光源的两个光束合并，在此会形成光的干涉。由折射率敏感性与波长和折射率的关系，可以推断出当上下两路波导中在同一波导模式—基模时，如果二者的群折射率差值为0，那么折射率敏感性可以显著提高。把群折射率差值为0的波长处定义为色散转折点，本发明即利用色散转折点的特性来实现干涉仪折射率敏感性的提升。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种波导干涉仪传感器，其特征在于，包括：
光纤，所述光纤用于接收入射的光脉冲；
与所述光纤的输出端连接的光纤波导耦合器，所述光纤波导耦合器用于耦合来自所述光纤的光脉冲；
与所述光纤波导耦合器连接的波导芯片，所述耦合后的光脉冲在波导芯片中继续传输并发生干涉，所述波导芯片包括分束器、第一波导、第二波导、合束器，所述分束器的输入端与光纤波导耦合器的输出端连接，所述第一波导的一端与分束器的第一输出端连接，所述第二波导的一端与分束器的第二输出端连接，所述第一波导的另一端与合束器的第一输入端连接，所述第二波导的另一端与合束器的第二输入端连接；
所述第一波导为衬底是二氧化硅、波导材质是硅的条形波导；
所述第二波导为衬底是二氧化硅、波导材质是硅、狭缝为空气的狭缝波导。
2.根据权利要求1所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述分束器的分光比为50：50。
3.根据权利要求1所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述条形波导是以宽度为1000nm、高度为220nm的硅条波导。
4.根据权利要求1所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述狭缝波导是以宽度为800nm、高度为220nm的硅分别为上下覆盖层，中间取高度为220nm、宽度为150nm为空气狭缝的波导。
5.根据权利要求1所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述分束器和合束器为在248nm的互补金属氧化物半导体兼容工艺中制备的Y型连接器。
6.根据权利要求5所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述Y型连接器的平均插入损耗为0.28±0.02dB，设备占用小于1.2μm×2μm。
7.根据权利要求1所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述第二波导与所述分束器和合束器的连接处还设有过渡区，所述过渡区用于减小第二波导直接耦合模场失配引起的损耗。
8.根据权利要求7所述的波导干涉仪传感器，其特征在于，所述过渡区为空气或者二氧化硅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200901 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |