CN2715130Y - 一种基于弯曲波导结构的干涉传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于弯曲波导结构的干涉传感器。输入光波导的一端与激光光源连接，其另一端与第一耦合器的一端连接后，分别接弯折的传感光波导臂和弯折的参考光波导臂的一端，再经第二耦合器接输出光波导，传感光波导臂的外侧装有传感样品池，参考光波导臂的外侧装有标准样品池。由于使用了弯折的传输波导，使更多的光能量进入探测区中待探测物质中传播，对探测区折射率的变化更为敏感；采用软件，对微弯结构的重要参数，幅值和周期进行优化设计，大幅度提高传感装置对环境参量变化的灵敏度和信噪比。在参考臂一侧放置了标准样品，在传感臂和参考臂中传输的光具有相近的损耗和相位变化，可进一步提高探测的灵敏度。
Description
所属技术领域
本实用新型涉及传感装置，尤其涉及到一种基于弯曲波导结构的干涉传感器。
背景技术
马赫-曾德(M-Z)干涉仪由两个3dB耦合器和两个波导臂组成，其基本结构为一对平行光波导，波导两端分别连接一个3dB的Y形分束器。通过改变折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消。利用马赫-曾德(M-Z)干涉装置进行传感，就是将其中一臂暴露在环境中，随着外界参量的变化，如温度、浓度、变形、应力等的变化，改变了该臂传输光的有效折射率，使得输出光的干涉结果产生变化，从而达到探测外界环境参量的目的。集成光学型的马赫-曾德(M-Z)干涉装置在化学和生物传感方面拥有越来越多的应用，具有设计制造简单、生产误差要求低等优点。
现有的马赫-曾德(M-Z)干涉传感器存在灵敏度不高的问题。外界参量变化引起的有效折射率的改变一般很小，虽然采用MZ干涉的方法，可以探测到这种变化，但其精度和灵敏度都不够高。
发明内容
为了能提高对环境折射率变化的灵敏度，本实用新型的目的是提供一种基于弯曲波导结构的干涉传感器，将传统的直波导结构用弯折的传输波导代替，使传输光的有效折射率对环境变化更为敏感。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：其输入光波导的一端与激光光源连接，输入光波导的另一端与第一耦合器的一端连接，第一耦合器的另一端分别接弯折的传感光波导臂和弯折的参考光波导臂的一端，弯折的传感光波导臂和弯折的参考光波导臂的另一端接第二耦合器的一端，第二耦合器的另一端接输出光波导，弯折的传感光波导臂的外侧装有传感样品池，弯折的参考光波导臂的外侧装有标准样品池，整个装置在基板上。
本实用新型具有的有益的效果是：
由于使用了弯折的传输波导，使更多的光能量进入探测区中待探测物质中传播，使得环境物质的折射率对传输光的有效折射率的贡献权重提高，因此对探测区折射率的变化更为敏感；并且，采用专业的设计软件，对微弯结构的重要参数：幅值和周期进行优化设计，可以大幅度提高传感装置对环境参量变化的灵敏度，提高测量结果的信噪比。同时在参考臂一侧放置了标准样品，使得在传感臂和参考臂中传输的光具有相近的损耗和相位变化，可进一步提高探测的灵敏度。
附图说明
图1是本实用新型的结构原理图；
图2是不同形状微弯结构的归一化光强输出；
图3是固定微弯结构周期不变时，幅值变化对敏感度的影响；
图4是固定微弯结构振幅为2.5um，其周期变化对敏感度的影响；
图5是典型直波导结构和本实用新型的结构的对比。
图中：1、输入光波导，2、5.3dB耦合器，3.传感光波导臂，4.传感样品池，6.输出光波导，7.参考光波导臂，8.标准样品池，9.基板。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的输入光波导1的一端与激光光源连接，输入光波导1的另一端与第一耦合器2的一端连接，第一耦合器2的另一端分别接弯折的传感光波导臂3和弯折的参考光波导臂7的一端，弯折的传感光波导臂3和弯折的参考光波导臂7的另一端接第二耦合器5的一端，第二耦合器5的另一端接输出光波导6，弯折的传感光波导臂3的外侧装有传感样品池4，弯折的参考光波导臂7的外侧装有标准样品池8，整个装置在基板9上。
所说的弯折的传感光波导臂3和弯折的参考光波导臂7，其弯折曲线为正弦曲线或三角曲线或圆锥曲线。
光源发出的光通过输入光波导1，经过一个3dB耦合器2分为相位相同、幅值相等的两束光，一路进入弯折的传感光波导臂3，一路进入弯折的参考光波导臂7。在传感光波导臂3中传输的光，其有效折射率随着传感样品池4内待分析物质折射率的变化而产生明显的变化，从而改变了在这一路中传输的光的强度和相位，使得光在通过传感光波导臂3后带上了待分析物质的信息。而在参考光波导臂7中传输的光保持在预先设计的强度和相位。两束光通过第二个3dB耦合器5，耦合成一束光，形成干涉结果，然后由输出光波导6输出，最后可由光电探测装置接收，所以由输出光波导6输出的光强将随着传感样品池4内待分析物质折射率的变化而改变。为了进一步提高探测的灵敏度，在参考光波导臂7一侧也放置一个与传感样品池4结构相同的标准样品池8，放置经过标定的标准样品，可以使在参考光波导臂7传输的光与在传感光波导臂3中传输的光产生相当的强度和相位的变化，使得从两臂输出的光更接近，以提高相干灵敏度。
根据优化设计的参数制作光刻的掩模板，在玻璃基板上利用光刻将图形转移到金属掩模上，通过如离子交换工艺制成设计的特定结构的波导。刻蚀出探测区的腔体和参考样品池，分别放置待分析的物质(液体或气体)和经过标定的标准样品。
经过三维有限差分光束传输法(3D-FDBPM)的模拟，可以证实当样品的折射率在一定范围内时，弯折波导构成的MZ干涉仪比直波导构成的MZ干涉仪有更高的灵敏度。模拟中使用的是脊形的玻璃离子交换波导，波导衬底折射率nb＝1.5151，Δn＝0.008，样品折射率取值范围为1.3-1.46。
如图2所示为不同形状微弯结构的归一化光强输出，由图2可见，在微弯结构部分采用正弦曲线的形状时，与其它弯曲曲线进行对比，对应于相同的折射率变化时，其输出光强的变化量最大(如实线所示)。
如图3所示为固定微弯结构周期不变时，幅值变化对敏感度的影响，由图3可见，微弯结构确定为正弦曲线形状，其正弦幅值越大，敏感度越高，但是此时损耗也会随着增大。
如图4所示为固定微弯结构振幅为2.5um，其周期变化对敏感度的影响，由图4可见，微弯结构确定为正弦曲线形状，在微弯部分的周期变化时，敏感度并不是与周期的变化呈线性关系的，不是“周期越短，敏感度越高”的简单关系。
如图5所示为典型直波导结构和本实用新型的结构对比，由图5可见，当环境折射率在1.30到1.46范围内变化时，弯折波导构成的MZ干涉仪比直波导构成的MZ干涉仪有更高的灵敏度。经过参数优化以后，新颖微弯结构MZ干涉仪的灵敏度比传统结构提高了1倍多。所以，本实用新型的结构的优越性是很明显的。
Claims (2)
1、一种基于弯曲波导结构的干涉传感器，其特征在于：输入光波导(1)的一端与激光光源连接，输入光波导(1)的另一端与第一耦合器(2)的一端连接，第一耦合器(2)的另一端分别接弯折的传感光波导臂(3)和弯折的参考光波导臂(7)的一端，弯折的传感光波导臂(3)和弯折的参考光波导臂(7)的另一端接第二耦合器(5)的一端，第二耦合器(5)的另一端接输出光波导(6)，弯折的传感光波导臂(3)的外侧装有传感样品池(4)，弯折的参考光波导臂(7)的外侧装有标准样品池(8)，整个装置在基板(9)上。
2、根据权利要求1所述的一种基于弯曲波导结构的干涉传感器，其特征在于：所说的弯折的传感光波导臂(3)和弯折的参考光波导臂(7)，其弯折曲线为正弦曲线或三角曲线或圆锥曲线。
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| CN104570208A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-04-29 | 东南大学 | 一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器 |
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2003
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| CN104570208B (zh) * | 2015-02-03 | 2017-10-10 | 东南大学 | 一种基于立体直式阵列波导光栅波分器和功分器 |
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