CN204630586U - 基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，包括有窄带光源，所述的窄带光源的出射光连接滤波特性可调的光学传感元件，所述光学传感元件的调控输入端连接用于调控光学传感元件频谱滤波特性的调控元件，所述光学传感元件的输出端连接光探测器，所述调控元件和光探测器还分别连接信号处理和控制元件。本实用新型通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度。本实用新型所涉及的传感器还可以结合光波分复用技术，进一步拓展传感器的使用范围和功能。

Description

基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光学传感器。特别是涉及一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器。

背景技术

作为21世纪科技发展支柱技术的信息技术是建立在传感器、通信、计算机等相关技术基础之上。其中，传感器是信息数据采集不可或缺的工具，其也是物联网中的核心部件。虽然传统的机械、化学等传感器技术相对成熟，但是其存在精度低、易受干扰等不足。光学传感器凭借其优良的性能在许多领域可以替代传统传感器并且可以拓展传感器使用的领域。比如光学传感器既可用于常规传感如监测电力系统的电流、电压、电磁等重要参数，又可以用于复杂的实测地点如水下探测、航空监测以及辐射检测等。光学传感器可采用低电压电源供电甚至无源系统，使其尤为适用于安全防爆措施要求严格的检测现场。此外，结合无线和(或)有线数据传输，还可实现基于光学传感器的远程多点实时测控。

目前基于具有频谱谐振特性的光学传感元件的光学传感器系统一般包括一个波长可调光源或宽带光源，一个具有频谱谐振特性的光学传感元件和一个光谱仪，如K.De Vos,I.Bartolozzi,E.Schacht,P.Bienstman,and R.Baets,"Silicon-on-Insulator microring resonatorforsensitive and label-free biosensing,"Opt.Express 15,7610-7615(2007)。光谱仪可以测量出频谱谐振特性的变化从而提取出待传感的信息量。这种方案需要使用价格昂贵且设备复杂的光谱仪，其测量精度和准确度依赖于光源和光谱仪的分辨率、精度和稳定度。这些要求显著增加了传感器的复杂度和成本，降低了可靠性和便携性。

另一种光学传感器方案使用宽谱光源，一个可以将不同波长区分开(色散)的光栅解复用器，和一个光探测器阵列，如“一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器”,专利号：2011205416922。所述的光栅解复用器和探测器阵列中任意一个探测器组成一个带通滤波器，通过不同探测器所检测光信号的变化提取出待传感的信号量。基于这种方案的光学传感器的测量精度主要取决于光栅解复用器的色散的分辨率、精度和稳定度，而光栅解复用器的色散精度和稳定度在实际制备中易受制造工艺精度影响，在使用过程中易受到外界环境波动如温度变化等的影响。这些影响降低了方案的实用性和传感器的可靠性。此外，这种方案需要大量使用光探测器，又增加了传感器的成本和功耗。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，包括有窄带光源，所述的窄带光源的出射光连接滤波特性可调的光学传感元件，所述光学传感元件的调控输入端连接用于调控光学传感元件频谱滤波特性的调控元件，所述光学传感元件的输出端连接光探测器，所述调控元件和光探测器还分别连接信号处理和控制元件。

所述的光学传感元件具有带通滤波特性、带阻滤波特性、高通滤波特性、低通滤波特性和全通滤波特性中的至少一个。

所述的光学传感元件是表面等离子波谐振结构、光栅结构、有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、仅改变信号相位关系的全通滤波器和在一设定频域改变透光率或吸光度的滤波器的光学结构中的至少一个。

所述的光探测器是能够测量光信号的功率、相位和偏振信息中的至少一个信息量的光探测器。

所述的调控元件是通过热光、声光、电光、光光、磁光和机械光效应中的至少一种光学效应来改变光学传感元件的频谱滤波特性。

所述的光学传感元件包括有接收窄带光源发出的窄带光的母线光波导，位于母线光波导一侧的耦合接收母线光波导内传输光的环状光波导谐振腔，以所述环状光波导谐振腔为载体的光传感介质材料，用于调控光学传感元件的频谱滤波特性的调控元件位于所述的环状光波导谐振腔的外侧。

所述的光传感介质材料是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。

所述的光学传感元件包括有干涉仪和设置在所述干涉仪内的光传感介质材料，其中，所述的干涉仪是由接收窄带光源发出的窄带光的第一光分路器或光合并器和与所述第一光分路器或光合并器所分出的两路光对接的第二光分路器或光合并器，所述第二光分路器或光合并器的出射光连接光探测器，所述光传感介质材料设置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器对接的一条光路上，用于调控光学传感元件的频谱滤波特性的调控元件设置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器对接的另一条光路上，所述的光传感介质材料是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。

所述的窄带光源，是激光光源或非相干光源，或是频谱宽带光源和频域带通滤波器的叠加而成的窄带光源；或是有限个窄带光源的组合。

本实用新型的一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度。此外，本实用新型因为光学传感元件的频谱滤波特性可以被调节，所以无需对光源和光学传感元件进行精确的校准，降低了制造工艺和操作环境对传感元件精度和稳定度的影响，进一步提高了传感器的可靠性和实用性。

本实用新型具有频谱滤波特性的光学结构或可提供珀塞耳效应(Purcell effect)。此效应可以使光传感介质材料的受传感物质感应引发的光学性质改变得到加强，比如光吸收的强度等，从而提高传感器的灵敏度和(或)减少所需要的待传感样品量或参数信号强度。

本实用新型所涉及的传感器可以通过无线方式如射频信号连接和(或)有线方式如采用光纤连接，进行远程测控，并可实现多点阵列化、多参数、网络化、智能化的包含光传感器的物联网系统。本实用新型所涉及的传感器还可以结合光波分复用技术，进一步拓展传感器的使用范围和功能。

附图说明

图1是本实用新型光学传感器的整体构成框图；

图2是本实用新型光学传感器第一实施例的结构示意图；

图3是对图2所示的光学传感器施加待传感的信号量前的环状光波导谐振腔的频谱响应曲线；

图4是对图2所示的光学传感器施加待传感的信号量后的环状光波导谐振腔的频谱响应曲线；

图5是对图2所示的光学传感器通过以一定精度调节调控元件参数R，传感器中的光探测器如光功率测量计所测量得到的光信号曲线；

图6是图5所描述情况的一种特例；

图7是本实用新型光学传感器第二实施例的结构示意图。

图中

110：窄带光源                   120：光学传感元件

130：调控元件                   140：光探测器

150：信号处理和控制元件         1201：母线光波导

1202：光波导谐振腔              1203：光传感介质材料

1211：干涉仪                    1212：第一光分路器或光合并器

1213：光传感介质材料            1214：第二光分路器或光合并器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器做出详细说明。值得指出，本实用新型的实施方式并不应被理解为局限于以下叙述的实施例。其他任何未背离本实用新型的精神实质和原理下所作的变化、修饰、替代、结合、组合，均应理解为等效的置换方式，都应该置于本实用新型的保护范围之内。

本实用新型的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度。此外，因为光学传感元件的频谱滤波特性可以被调节，所以无需对光源和光学传感元件进行精确的校准，降低了制造工艺和操作环境对传感元件精度和稳定度的影响，进一步提高了传感器的可靠性和实用性。本实用新型的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器可集成信号处理、控制和传输元件，如模拟数字信号转换模块和逻辑运算模块等对传感器所采集的信号进行处理和调控。

如图1所示，本实用新型的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，包括有窄带光源110，所述的窄带光源110，可以是激光光源或非相干光源如发光二级管，或可以是频谱宽带光源和频域带通滤波器的叠加而成的窄带光源；还可以是有限个窄带光源的组合。所述的窄带光源110的出射光连接滤波特性可调的光学传感元件120，所述的光学传感元件120是一个包含光传感介质材料的具有频谱滤波特性且滤波特性可调的光学传感元件。所述光学传感元件120的调控输入端连接用于调控光学传感元件120频谱滤波特性的调控元件130，所述光学传感元件120的输出端连接光探测器140，所述调控元件130和光探测器140还分别连接信号处理和控制元件150。窄带光源发出的入射光经由具有频谱滤波特性的光学传感元件后被光探测器检测。施加的待传感的信号量与以光学传感元件为载体的的光传感介质材料相互作用所产生的光学效应可改变光学传感元件的光学性质。施加待传感的信号量前后，通过渐进的改变调控元件的光学效应调控参数改变光学传感元件的频谱滤波特性，分别测量并记录出射光信号。通过比对并分析两次测量的光信号和调控参数的数据，提取出待传感的信号参数，完成传感过程。

频谱滤波特性指在某特定频率下，表现出与其他频率不同的振幅或相位的频谱响应。频谱表现出带通、带阻、高通、低通、全通等滤波特性都可以满足本实用新型设计的需要且应涵括在本实用新型的保护范围之内。此种光学元件可以是但不局限于表面等离子波谐振，带通或带阻滤波器如光栅，有限脉冲响应滤波器如法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔、环状光路谐振腔、盘状谐振腔、光子晶体谐振腔，无限脉冲响应滤波器如迈克尔逊型(Michelson)干涉仪、马赫-曾泽尔(Mach-Zehnder)干涉仪，仅改变信号相位关系的滤波器,和在某一频域改变透光率或吸光度的滤波器等光学结构或基于混合上述结构的光学设计。频谱滤波特性可以具有或没有周期性。

所述的窄带光源110是频谱窄带光源，其可以是激光光源或非相干光源如发光二级管，所述的频谱窄带光源还可以是频谱宽带光源和频域带通滤波器的叠加而成的窄带光源。所述的窄带光源110还可以是有限个窄带光源的组合。

所述的调控元件130是通过热光、声光、电光、光光、磁光和机械光效应中的至少一种光学效应来改变光学传感元件120的频谱滤波特性。并且，所述的调控元件130所产生的光学效应和光学传感元件120的频谱滤波特性改变的对应关系是确定的。调控元件通过某种光学效应改变光学传感元件的频谱滤波特性，比如使谐振频率或波长发生漂移等。这里所指的光学效应可以是但不局限于热光(thermo-optic effect)、声光(acoustic-optic effect)、全光(all-optical effect)、电光(electro-optic effect)、磁光(magneto-optic effect)、机械光(mechanical-optic effect)效应。

所述的光探测器140是一种能够测量光信号的功率、相位和偏振信息中的至少一个信息的光探测器，如是基于硅、锗或磷化铟等材料的光电探测器或光功率测量计。此时光信号可转换成电信号以供数据处理和分析。

所述的光学传感元件120具有带通滤波特性、带阻滤波特性、高通滤波特性、低通滤波特性和全通滤波特性中的至少一个。所述的光学传感元件120是表面等离子波谐振结构、光栅结构、有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、仅改变信号相位关系的全通滤波器和在一设定频域改变透光率或吸光度的滤波器的光学结构中的至少一个。

所述的有限脉冲响应滤波器的光学设计和结构为法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔、环状光路谐振腔、盘状谐振腔和光子晶体谐振腔中的至少一个。

所述的无限脉冲响应滤波器的光学设计和结构为迈克尔逊型(Michelson)干涉仪和(或)马赫-曾泽尔(Mach-Zehnder)干涉仪。

在本实用新型的实施例中，所述的信号处理和控制元件150可以采用8051单片机或ARM公司的处理器芯片附加所需的电压源和内存。如需进行高速信号处理(如～1GHz)，元件可采用Xilinx公司的FPGA可编程逻辑芯片和ADI公司的AD/DA开发板。

如图2所示，所述的光学传感元件120包括有接收窄带光源110发出的窄带光的母线光波导1201，位于母线光波导1201一侧的耦合接收母线光波导1201内传输光的环状光波导谐振腔1202，以所述环状光波导谐振腔1202为载体的光传感介质材料1203，所述的光传感介质材料1203可以与待传感的信号量相互作用，用于调控光学传感元件120的频谱滤波特性的调控元件130位于所述的环状光波导谐振腔1202的外侧。

所述的光传感介质材料1203是材料本身的光学性质可以随某种物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括但不局限于压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料1203的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。举例来说，根据传感需要，光传感介质材料可以是铁磁性物质用来传感电磁场或生物酶用来传感特定的生物试剂。

图2所示的实施例，是一个基于环状光波导谐振腔1202的有限脉冲响应滤波器的滤波特性可调的光学传感元件。光源110发出的窄带光进入母线光波导1201后，当光的频率和谐振腔的本征谐振频率相一致时，入射光耦合进入环状光波导谐振腔1202，因此，出口端光探测器140检测到的输出光的光功率(I)会发生衰减，此频率的光会部分反射回输入端。在数据处理和控制元件150的控制下，调控元件130通过某种光学效应例如热光效应、载流子等离子色散效应等改变滤波器的频谱滤波特性，环状光波导的光学性质发生改变如本征谐振频率或波长在频谱上发生漂移。举例来说，调控元件130可以采用导通的电阻，通过注入电流产生的可控制的热辐射改变环状光波导谐振腔1202的载体物质的折射率从而改变环状光波导谐振腔1202的频谱滤波特性，如R.Amatya,C.W.Holzwarth,H.I.Smith,and R.J.Ram,"Precision Tunable Silicon Compatible Microring Filters,"IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.20,pp.1739-1741(2008)。待传感的信号量可与光学传感元件中的以环状光波导谐振腔1202为载体的光传感介质材料1203相互作用，并相对应的改变环状光波导的光学性质如本征谐振频率或波长。

如图3和图4所示，分别是施加待传感的信号量前后的环状光波导谐振腔的频谱响应。图中横轴表示波长λ，纵轴表示传感器的光探测器如光功率测量计所测量的相应的出射光信号信息如光功率I(λ)。两图中310和410均指向横轴标度的相同的入射光光波长λ₀。未施加待测信号量前，曲线320对应环状光波导谐振腔的频谱响应。通过渐进的调节调控元件参数R，环状光波导谐振腔的频谱响应分别对应曲线321，322，323。曲线420对应施加待传感的信号量后的环状光波导谐振腔的频谱响应。曲线320和420的变化对应待传感的信号量与光传感介质材料反应所产生的光学效应及其所引发的光学传感元件频谱响应的改变。曲线321，322，323，421，422，423为施加待传感的信号量之后再调节调控元件参数R所对应的光波导谐振腔的频谱响应。应指出，曲线321，322，323，421，422，423仅为通过调节调控元件参数R改变谐振腔的频谱响应的示意图，实际应用中，调控元件参数R应以足够密集的步进量在一定值域范围内进行参数扫描，获取足够多的出射光信号信息I(R)，以保证传感器测量的精度和准确度。

如图5所示，通过以一定精度调节调控元件参数R，传感器中的光探测器如光功率计测量并可得到I(R)曲线510和520。曲线510和520分别对应施加待传感的信号量前后的数据。通过分析两次数据所记录的调控元件参数R和出射光信号信息I(R)，结合已知的调控元件所产生的光学效应和光学传感元件的频谱滤波特性改变的对应关系，比对预先校准的测量数据以及相关理论模型及数值模拟数据，即可提取出待传感的信号量的信息。

图6所示是图5所描述情况的一种特例。此特例可发生于施加待传感的信号量后，传感元件表现出对光吸收性质的改变显著强于对光折射性质的影响，如在频谱上光学传感元件的频谱滤波特性未出现本征谐振频率或波长在频谱上明显漂移的变化，仅出射光信号的某些性质如光功率610和620发生变化。此情况并不影响传感器的正常运作。通过比对出射光信号的差异，比对预先校准的测量数据以及相关理论模型及数值模拟数据，仍可准确提取出待传感的信号量的信息。

如图7所示，所述的光学传感元件120还可以是包括有干涉仪和设置在所述干涉仪内的光传感介质材料1213，其中，所述的干涉仪是由接收窄带光源110发出的窄带光的第一光分路器或光合并器1211和与所述第一光分路器或光合并器1211所分出的两路光对接的第二光分路器或光合并器1212，所述第二光分路器或光合并器1212的出射光连接光探测器140，所述光传感介质材料1213设置在第一光分路器或光合并器1211和第二光分路器或光合并器1212对接的一条光路上，所述的光传感介质材料1213可以与待传感的信号量相互作用，用于调控光学传感元件120的频谱滤波特性的调控元件130设置在第一光分路器或光合并器1211和第二光分路器或光合并器1212对接的另一条光路上。

所述的光传感介质材料1213是材料本身的光学性质可以随某种物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料1213的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。

图7所示的实施例，是一个滤波特性可调的光学传感元件包含一个基于马赫-曾泽尔(Mach-Zehnder)干涉仪1211、1212的无限脉冲响应滤波器。光源110产生的窄带光通过第一光分路器或光合并器1212被分成两路：其中一个光路含有调控元件130；另一路光会通过光传感介质材料1213。调控元件130通过热光、载流子等离子色散效应等光学效应改变此路光信号的相位，造成光传输延迟。对于光路非对称的马赫-曾泽尔(Mach-Zehnder)干涉仪，两路光相干叠加后形成滤波特性可调的带阻型滤波器的频谱响应。此种情况下，干涉仪的频谱响应示意图与图3所示的环状光波导谐振腔的频谱响应相似。待传感的信号量通过与光传感介质材料1213相互作用改变干涉仪的光学性质如带阻特性的频谱位置。施加待传感的信号量前后，信号处理和控制元件150通过渐进的改变调控元件130的光学效应调控参数改变干涉仪的频谱滤波特性，输出端的光探测器140分别测量并记录出射光信号。通过比对并分析两次测量的光信号和调控参数的数据，即可提取出待传感的信号参数。作为此实施例的一种变例，调控元件130和光传感介质材料1213也可以处于干涉仪的同一光路中。

Claims (9)

1.一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，包括有窄带光源(110)，所述的窄带光源(110)的出射光连接滤波特性可调的光学传感元件(120)，所述光学传感元件(120)的调控输入端连接用于调控光学传感元件(120)频谱滤波特性的调控元件(130)，所述光学传感元件(120)的输出端连接光探测器(140)，所述调控元件(130)和光探测器(140)还分别连接信号处理和控制元件(150)。

2.根据权利要求1所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光学传感元件(120)具有带通滤波特性、带阻滤波特性、高通滤波特性、低通滤波特性和全通滤波特性中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光学传感元件(120)是表面等离子波谐振结构、光栅结构、有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、仅改变信号相位关系的全通滤波器和在一设定频域改变透光率或吸光度的滤波器的光学结构中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光探测器(140)是能够测量光信号的功率、相位和偏振信息中的至少一个信息量的光探测器。

5.根据权利要求1所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的调控元件(130)是通过热光、声光、电光、光光、磁光和机械光效应中的至少一种光学效应来改变光学传感元件(120)的频谱滤波特性。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光学传感元件(120)包括有接收窄带光源(110)发出的窄带光的母线光波导(1201)，位于母线光波导(1201)一侧的耦合接收母线光波导(1201)内传输光的环状光波导谐振腔(1202)，以所述环状光波导谐振腔(1202)为载体的光传感介质材料(1203)，用于调控光学传感元件(120)的频谱滤波特性的调控元件(130)位于所述的环状光波导谐振腔(1202)的外侧。

7.根据权利要求6所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光传感介质材料(1203)是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料(1203)的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的光学传感元件(120)包括有干涉仪和设置在所述干涉仪内的光传感介质材料(1213)，其中，所述的干涉仪是由接收窄带光源(110)发出的窄带光的第一光分路器或光合并器(1211)和与所述第一光分路器或光合并器(1211)所分出的两路光对接的第二光分路器或光合并器(1212)，所述第二光分路器或光合并器(1212)的出射光连接光探测器(140)，所述光传感介质材料(1213)设置在第一光分路器或光合并器(1211)和第二光分路器或光合并器(1212)对接的一条光路上，用于调控光学传感元件(120)的频谱滤波特性的调控元件(130)设置在第一光分路器或光合并器(1211)和第二光分路器或光合并器(1212)对接的另一条光路上，所述的光传感介质材料(1213)是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和辐射效应中的至少一个，所述光传感介质材料(1213)的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，其特征在于，所述的窄带光源(110)，是激光光源或非相干光源，或是频谱宽带光源和频域带通滤波器的叠加而成的窄带光源；或是有限个窄带光源的组合。