CN117330532A - 集成化片上红外甲烷传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化片上红外甲烷传感器，包括：按照光传播方向依次设置的DFB激光器、传输媒介、平面光波导和光电探测器；其中，所述平面光波导远离光入射端的一端开设有缺口，所述缺口在所述平面光波导上形成反射斜面，入射光经所述反射斜面入射至所述光电探测器。本发明通过采用紧凑的平面光波导结构和DFB激光器，本技术方案创造性地解决了尺寸和成本方面的主要技术问题，这使得该方案具有更高的可实施性、可扩展性和经济性，更适用于各种实际应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及红外传感器技术领域，特别涉及一种集成化片上红外甲烷传感器及其应用。
背景技术
红外传感器是一种能够利用物质在红外波段吸收特定波长光线的特性来检测和分析目标物质的设备。在环境监测、工业安全、火灾探测等领域都有广泛的应用。甲烷是一种常见的有机气体，具有广泛的应用和存在于多个行业中，但同时也是一种具有潜在危险的气体，因此对其进行快速准确的检测具有重要意义。
红外甲烷传感技术在过去几十年中得到了快速发展和广泛应用。传统的红外甲烷传感器通常使用传统的光学元件如滤光片、反射镜、光束分束器等，结构复杂且难以集成。随着纳米技术、光电子技术和集成化技术的进步，新型集成化片上红外甲烷传感器不断涌现。
现有集成化片上红外甲烷传感器是基于传统红外吸收光谱的甲烷传感器，常见的包括非色散式红外甲烷传感器(NDIR)和色散式红外甲烷传感器。
非色散式红外甲烷传感器利用甲烷分子在特定红外波段的吸收特性进行检测。它们通常由光源、样品室、红外滤光片和探测器等组件组成。光源发射特定波长的红外光线经过样品室，被样品中的甲烷吸收后到达探测器。探测器测量吸收光的强度，从而推断出样品中甲烷气体的存在和浓度。
色散式红外甲烷传感器则使用色散元件(如干涉仪或光栅)来分离不同波长的光，然后通过检测不同波长处的光强度变化来确定甲烷气体的存在和浓度。色散式传感器可以提供更高的谱线分辨率，从而实现对更多气体分子的检测。
但是上述传统红外甲烷传感器传统的通常较大且成本较高，这限制了其在某些领域的应用。
因此，如何提供一种更小巧、低成本的集成化片上红外甲烷传感器及其应用是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种集成化片上红外甲烷传感器及其应用。
本发明提供的一种集成化片上红外甲烷传感器，包括：按照光传播方向依次设置的DFB激光器、传输媒介、平面光波导和光电探测器；其中，
所述平面光波导远离光入射端的一端开设有缺口，所述缺口在所述平面光波导上形成反射斜面，入射光经所述反射斜面入射至所述光电探测器。
平面光波导上开设的缺口可以用于改善平面光波导与DFB激光器、光电探测器之间的光耦合效果。
优选地，所述缺口为三角形缺口；
和/或，所述缺口开设在所述平面光波导远离光入射端的一端底部，所述光电探测器位于所述平面光波导的上表面。
优选地，所述反射斜面与所述平面光波导的夹角范围为44.0°-46.0°，所述光电探测器水平设于所述平面光波导的上表面。
优选地，所述反射斜面与所述平面光波导的上表面呈45°角。
优选地，反射斜面上朝向光入射的一面镀有1640-1660nm反射膜。
优选地，所述传输媒介包括光纤，所述光纤连接所述DFB激光器的出射端和所述平面光波导的入射端。
优选地，所述传输媒介包括透镜，所述透镜聚焦所述DFB激光器的光束并将其耦合到所述平面波导中。
优选地，所述传输媒介包括PWB打线，通过PWB板上的金属导线连接所述DFB激光器的出射端和所述平面光波导的入射端。
优选地，所述DFB激光器的出射激光波长为1650nm。
优选地，还包括基底，所述DFB激光器、传输媒介、平面光波导和光电探测器均位于所述基底上。
本发明还提供了一种根据所述集成化片上红外甲烷传感器在待测气体环境中的应用，所述集成化片上红外甲烷传感器放置于所述待测气体环境中进行检测。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明采用带有三角形缺口的平面波导结构。这种波导结构可以在微型化器件中实现紧凑的尺寸。相对于传统的光学组件或器件，平面波导可以灵活布局在集成芯片上，从而实现更小型化、集成化的元件布局。而三角形缺口的设计进一步减小了元件的尺寸，并提供了精确的光路径控制，使得入射光能够被有效地引导到光电探测器中，实现了高效的光信号检测。
本发明采用DFB激光器作为光源。DFB激光器具有高稳定性和较低的制造成本。相比其他激光器类型，如外腔激光器(ECL)或光纤激光器，DFB激光器的制造过程相对简单，所需材料和设备成本较低。选择DFB激光器作为光源不仅可以获得高质量的激光光束，更降低了整体系统的成本。
综上，通过采用紧凑的平面光波导结构和成本较低的DFB激光器，本技术方案创造性地解决了尺寸和成本方面的主要技术问题。这使得该方案具有更高的可实施性、可扩展性和经济性，更适用于各种实际应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的集成化片上红外甲烷传感器结构图；
图2是本发明实施例二提供的集成化片上红外甲烷传感器结构图；
图3是本发明实施例三提供的集成化片上红外甲烷传感器结构图。
图中：
1为DFB激光器，2为激光器出光口，3为光纤，4为PLC，5为基底，6为PD，7为透镜，8为PWB打线。
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。
平面波导作为本实施例集成化红外传感器的关键元件之一。其通过设计特殊的结构和形状，可以对光线进行精确的控制和调制。这使得在红外传感领域中能够实现更高的灵敏度、准确性和可靠性。
DFB(Distributed Feedback,分布式反馈)激光器是一种具有窄线宽和单模输出特性的激光器，适用于高分辨率和高灵敏度的传感应用。本发明在光源上采用了DFB激光器1作为入射光源，激光器内部布置了布拉格光栅，激光发射位置位于侧面。其材质以半导体材质为主，主要含有锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器1的工作原理是在半导体材料中引入周期性变化的结构，形成一个光子晶体，这个光子晶体只能反射特定波长的光，即激光器只能发射特定波长的光。波长为1650nm的激光器在甲烷气体检测中具有较好的吸收特性，能够提高传感器的检测性能和信号质量。DFB激光器1有很多独特的优点，如，具有很好的单色性以及很高的边模抑制比，低噪声和高稳定性以及线宽窄等。而不同的气体分子会吸收不同的光线，使一定波长的光能衰减，形成相应的吸收光谱。因此，采用DFB激光器1作为入射光源，可以保证得到稳定的、高相干的光源。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明第一方面公开了一种集成化片上红外甲烷传感器，包括：按照光传播方向依次设置的DFB激光器1、传输媒介、平面光波导和光电探测器；其中，
平面光波导远离光入射端的一端开设有缺口，缺口在平面光波导上形成反射斜面，激光器的光入射进入平面光波导后，在平面光波导内水平向前传递，遇到缺口形成的反射斜面后会产生反射，经过相关微调，可使入射波被反射到光电探测器之中。
当DFB激光器1出射的光遇到缺口时，会在缺口处发生反射，使得反射光的方向偏上方，使得水平向前传递的入射波拥有可选的不同的反射角。缺口的倾斜角度和大小可以优化光的耦合效率，使入射光无限接近全反射，使得更多的光能够传输到光信号检测模块。光电探测器(Photo Diode Detector，PD6)可以将光信号转换为相应的电信号，并对光信号进行测量和分析。PD6可以测量与甲烷相关的特定光谱信号，根据光谱特征来检测气体浓度。
本发明新型集成化片上红外甲烷传感器是在红外传感技术发展的基础上，利用平面波导和DFB激光器1等关键技术实现的创新方案。该方案具备集成化、高灵敏度和高准确性等优势，有望在环境监测、工业安全和火灾探测等领域发挥重要作用。
在一个实施例中，缺口为三角形缺口，和/或缺口开设在平面光波导远离光入射端的一端底部，光电探测器位于平面光波导的上表面。
本实施例中，反射斜面与平面光波导的夹角范围为44.0°-46.0°，光电探测器水平设于平面光波导的上表面。
进一步的，反射斜面与平面光波导的上表面设置为45°角，垂直向上入射至光电探测器。
缺口的形状(包括反射斜面的角度)可以根据光信号检测模块的位置进行设计，缺口的开设角度按需设定，即可。PD6水平放置在平面光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC4)的上表面，位置可变，但是需要确保PD6相对平面光波导的设置位置满足能够有效接收出射光，即光能够从PLC4正确地照射到PD6上，从而能从PD6中得到反馈正确的光信号。
在一个实施例中，DFB激光器1的出射激光波长为1650nm。
在一个实施例中，反射斜面上朝向光入射的一面镀有1640-1660nm反射膜，该反射膜的厚度为80-120nm，该反射膜的材料包括无氧铜，反射率为80％以上。
在一个实施例中，还包括基底5，DFB激光器1、传输媒介、平面光波导和光电探测器均位于基底5上。
本实施例中，DFB激光器1水平放在基底5上，电极向上，激光发射端朝向放有平面光波导的一端。
本发明第二方面公开了一种基于第一方面的集成化片上红外甲烷传感器在待测气体环境中的应用，本实施例提供的集成化片上红外甲烷传感器放置于待测气体环境中进行检测。传感器即位于气体之中，四周都被气体所包围。
本发明在入射光传输进平面光波导的过程中可使用光纤3、透镜7以及PWB打线8三种方案，都可以将DFB激光器1发出的光耦合到PLC4之中。下面是关于使用光纤3、透镜7和PWB打线8将激光打进PLC4的多个实施例。具体的步骤和细节可以根据实际情况进行调整和优化。
实施例一
传输媒介包括光纤3，光纤3连接DFB激光器1的出射端和平面光波导的入射端。光纤3可以作为传输媒介，将DFB激光器1发出的光束引导到PLC4。
本实施例中还包括在光纤3末端设置的准直透镜7来匹配激光器的发散角度，并使光束尽可能地耦合进PLC4中。通过调整光纤3与PLC4之间的相对位置和角度，可以实现高效的耦合。光纤3通常连接到DFB激光器1的出射端，这样可以将激光光束传输到需要的目标位置。
准备工作：
确保DFB激光器1和PLC4处于正常工作状态。
准备合适的光纤3连接器和适配器。
实施步骤：
将光纤3的一端连接至DFB激光器1的出射端。
调整光纤3与PLC4之间的相对位置和角度，使得光能够高效地耦合进PLC4中。
使用相关的光纤3接头和适配器确保光纤3的连接稳定可靠。
进行光纤3的拉伸、焊接和固定，以确保光纤3的稳定传输。
表征数据：
耦合效率：通常可以达到90％以上。
信号损耗：在传输过程中，光纤3的信号损耗较小，一般在每厘米0.002-0.005dB左右。
效果数据：
高耦合效率：使用光纤方案可以实现高效的光耦合效果，确保激光能够准确地被传输到平面波导中。
低信号损耗：光纤传输信号的损耗较小，可以保持信号的稳定性和可靠性。
使用效果：
使用光纤作为传输介质，可以保持信号质量和稳定性，同时提供高带宽传输。光纤的传输损耗较低，能够在长距离范围内提供稳定的信号传输。因此，在这种情况下，光纤方案可能是最理想的选择，能够满足高速、长距离的传输需求。
实施例二
传输媒介包括透镜7，透镜7聚焦DFB激光器1的光束并将其耦合到PLC4中。透镜7的选择和定位对于确保有效的耦合非常重要。通过优化透镜7的焦距、孔径和位置，可以实现高效的耦合。透镜7的中心位置应该与DFB激光器1出射端平行。
准备工作：
确保DFB激光器1和PLC4处于正常工作状态。
准备合适的透镜7、支架和调节装置。
实施步骤：
将透镜7定位在DFB激光器1发散的光束轴上。
调整透镜7的焦距、孔径和位置，使得透镜7能够聚焦DFB激光器1的光束并将其高效地耦合到PLC4中。
使用支架和调节装置固定透镜7的位置和角度。
根据需要进行微调和优化，以确保最佳的光耦合效果。
表征数据：
聚焦效率：聚焦的效率取决于透镜7的设计和参数，一般在70％以上。
光斑尺寸：透镜7的焦距和孔径决定了光斑的尺寸，通常为几十微米至几百微米。
效果数据：
适应性强：透镜方案可以根据具体需求调整焦距和孔径，适应不同的光束直径和波导尺寸。
可调优化：通过调整透镜7的位置、角度和参数，可以优化光耦合效果，以获得更好的结果。
使用效果：
透镜作为光耦合元件，可以将光束从光源聚焦到波导上。透镜方案在短距离的应用中具有优势，可以提供有效的光耦合和传输。
实施例三
传输媒介包括PWB打线8，通过PWB板上的金属导线连接DFB激光器1的出射端和平面光波导的入射端。PWB打线8是将印制线路板上的金属导线与DFB激光器1和PLC4相连接的方式。通过在PWB上设计合适的导线布局和连接结构，可以实现光的传输和耦合。
本实施例通过PWB将DFB激光器1的出光口与PLC4的入光口相连，避免了传统方案中耗时较多的对准调节，节省了光束整形所需的透镜7等，并且制备简单快捷，利于大规模的生产。
准备工作：
确保DFB激光器1和PLC4处于正常工作状态。
准备印制线路板(PWB)和金属导线，金属导线可以为金(Au)线。
实施步骤：
在印制线路板上设计合适的导线布局和连接结构，以连接DFB激光器1和PLC4。
在印制线路板上制作和打线，将金属导线精确地布置在正确的位置上。
使用焊接或其他方法，将金属导线与DFB激光器1和PLC4进行连接。可以选用金丝球焊接机执行此步骤
完成连接后，检查和测试导线的连通性和电气性能。
表征数据：
电阻和电容：PWB打线8会引入一定的电阻和电容。
线宽和线间距：PWB打线8的线宽和线间距选择会影响导线的传输性能和信号衰减情况。
效果数据：
灵活性：PWB打线方案可以根据实际需求进行设计和布线，适应不同的平面波导结构和连接方式。
成本效益高：PWB打线是一种常见的制备方法，成本相对较低，可以批量生产和量产。
使用效果：
PWB打线方案可以通过特定的设计和布线实现光波导的耦合和连接。该方案在紧凑集成和小型化方面具有优势，适用于需要在有限空间内进行光耦合的场景。
本发明在一个实施例中还可以基于微波/射频的无线耦合方案：使用微波或射频信号进行DFB激光器和PLC之间的无线耦合来传输光信号。这种方案可以实现无线连接，避免了使用光纤的限制和复杂性。
综上所述，光纤方案在高速、长距离传输方面具有明显优势；透镜方案在短距离传输和紧凑集成方面较为适用；而PWB打线方案则适用于光耦合需求紧凑、有限空间的场景。具体选择最适合的方案要考虑到应用需求、预算限制、技术可行性等多个因素，并进行综合评估。
相对于已有的甲烷检测装置，本发明可以通过切换入射光的传输方式从而应对不同的场合。
上述实施例使得本发明在光耦合过程中可以产生以下技术效果：
灵活适应不同需求：透镜和PWB打线方案具有灵活的调整能力，可以根据具体需求调整参数和布局。透镜方案可以调整焦距和孔径，以适应不同的光束直径和波导尺寸；PWB打线方案可以根据实际需求进行设计和布线，适应不同的平面波导结构和连接方式。
成本效益高：PWB打线是一种常见的制备方法，成本相对较低，可以批量生产和量产。光纤和透镜方案的成本较高，但在某些应用中，它们提供了更好的性能和效果，因此具有一定的成本效益。
高灵敏度和低响应时间：光纤和透镜方案可以实现高灵敏度和快速的响应时间。由于光纤传输具有低损耗和抗干扰的特性，能够提供较高的信号质量和灵敏度。透镜的聚焦和调节功能能够使光器件获得更好的光耦合效果，进一步提高系统的响应速度和灵敏度。
尺寸和成本：光纤、透镜和PWB打线方案都对系统的尺寸和成本有一定的影响。光纤方案可以实现远距离的信号传输，并且光纤本身非常细小，因此可以有效减小系统的尺寸，从而减小系统的成本。透镜方案中的透镜可以根据系统需要进行设计和制造，因此在一定程度上可以灵活控制系统的尺寸。而且透镜的制造成本和设计复杂性较低。PWB打线是一种常用的制造光纤连接的方法，可以在PCB上布线来实现光学器件之间的连接。PWB打线相对简单和成本较低，可以在一定程度上降低系统的总体成本。
交叉干扰：光纤方案由于光信号的传输方式，可以减少电磁干扰对于信号的影响，从而降低交叉干扰的可能性。透镜方案中，透镜可以通过调整光束的聚焦和方向，使光波导或其他光学元件之间的光耦合更加准确和可靠，从而减少交叉干扰的风险。PWB打线方案可以通过合理的布线设计和阻隔措施来降低光纤之间的交叉干扰，例如采取合适的间距和屏蔽措施，保持光纤之间的隔离性。
高效的光耦合：这些技术手段可以提供高效的光耦合效果，确保激光能够准确地被传输到平面波导中。通过优化设计和参数调整，可以实现高耦合效率，降低能量损失。
低信号损耗：光纤作为一种传输介质，具有较低的信号损耗。在光纤中传输信号时，会遭受少量的衰减(损耗)，但这种损耗很小，可以保持信号的稳定性和可靠性。
以上对本发明所提供的一种集成化片上红外甲烷传感器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，包括：按照光传播方向依次设置的DFB激光器、传输媒介、平面光波导和光电探测器；其中，
所述平面光波导远离光入射端的一端开设有缺口，所述缺口在所述平面光波导上形成反射斜面，入射光经所述反射斜面入射至所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述缺口为三角形缺口；
和/或，所述缺口开设在所述平面光波导远离光入射端的一端底部，所述光电探测器位于所述平面光波导的上表面。
3.根据权利要求2所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述反射斜面与所述平面光波导的上表面的夹角范围为44.0°-46.0°，所述光电探测器水平设于所述平面光波导的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，反射斜面上朝向光入射的一面镀有1640-1660nm反射膜。
5.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述传输媒介包括光纤，所述光纤连接所述DFB激光器的出射端和所述平面光波导的入射端。
6.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述传输媒介包括透镜，所述透镜聚焦所述DFB激光器的光束并将其耦合到所述平面波导中。
7.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述传输媒介包括PWB打线，通过PWB板上的金属导线连接所述DFB激光器的出射端和所述平面光波导的入射端。
8.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，所述DFB激光器的出射激光波长为1650nm。
9.根据权利要求1所述的一种集成化片上红外甲烷传感器，其特征在于，还包括基底，所述DFB激光器、传输媒介、平面光波导和光电探测器均位于所述基底上。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述集成化片上红外甲烷传感器在待测气体环境中的应用，其特征在于，所述集成化片上红外甲烷传感器放置于所述待测气体环境中进行检测。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311358000.4A CN117330532A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 集成化片上红外甲烷传感器及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311358000.4A CN117330532A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 集成化片上红外甲烷传感器及其应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117330532A true CN117330532A (zh) | 2024-01-02 |
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ID=89291614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311358000.4A Pending CN117330532A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 集成化片上红外甲烷传感器及其应用 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-10-18 CN CN202311358000.4A patent/CN117330532A/zh active Pending
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