專利名稱：基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于級連環形腔的光波導傳感器，尤其是涉及一種基于寬帶光源 和級連光波導濾波器游標效應的光傳感器。
背景技術：
光傳感技術作為信息科學技術的一個重要分支，在工業過程控制、環境監測、食品 安全和國家安全等方面有著十分重要的應用。光傳感技術可解決電傳感技術存在的靈敏度 低、易受干擾、感應時間較長、檢測某些化學氣體不安全等方面的問題。光傳感器具有靈敏 度高、體積小、抗電磁干擾能力強、便于集成、可在線檢測的優點，在傳感領域占有越來越重 要的地位。光波導傳感器件的基本原理是基于光纖或平面波導的界面/表面所出現的倏逝 波，由于倏逝波透出波導的表面(接觸待測物質)并會返同波導中，并影響波導中傳輸光的 特性，因此探測波導中傳輸光的變化可實現光傳感。環形諧振腔因其具有尖銳的諧振峰，可以實現高靈敏度而備受關注。圖1給出了 基于單個環形諧振腔的光波導傳感器結構示意圖。模式折射率的變化引起環形諧振腔透 射譜的移動，通過測量透射峰的波長移動或在透射峰附近某個固定波長的光的能量變化就 能測定被測物質的變化° K. De Vos etal, "Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-freebiosensing，，，Optics Express 15, pp. 7610-7615 (2007)。 這個方法的缺點是測量透射峰的波長移動需要一個價格昂貴的光譜儀，其測量精度與光譜 儀的精度直接相關。如果用測量透射峰附近某個固定波長光能量變化的方法，則需要一個 窄線寬的激光器作為光源，而且激光器的波長要與諧振環的透射峰有精確的相對位置，而 且要非常穩定。這些要求都大大增加了測量裝置的成本，降低了可靠性。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳 感器，使用LED等成本低廉的寬光源作為輸入光源，通過測量全光譜輸出光的強度(無需探 測光譜信息)的變化來探測被測物質、被測量的變化，而且對光源和系統的穩定性要求也 大大降低。本發明解決其技術問題采用的技術方案是技術方案1 它包含寬帶光源、與寬帶光源相耦合的輸入波導、與輸入波導相耦合的參照環形 諧振腔、與參照環形諧振腔相耦合的連接波導，與連接波導相耦合的傳感環形諧振腔、與傳 感諧振腔相耦合的輸出波導、與輸入波導相耦合測其出射光功率的第一光功率計；所述傳 感環形諧振腔與參照環形諧振腔的光學長度不同，所述的參照環形諧振腔的光學長度使得 它的諧振頻率對應于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感環形諧振腔的光學長度使得當它 的一個諧振頻率與參照環形諧振腔的一個諧振頻率重合時其相鄰的諧振峰不完全重合；傳感環形諧振腔中至少有一部分波導受到被測變量影響作用或至少有一部分波導包層與被 測物質接觸。所述輸入波導和連接波導與參照環形諧振腔之間的耦合是通過方向耦合器或通 過各自的多模干涉耦合器進行耦合；所述的輸出波導和連接波導與傳感環形諧振腔之間的 耦合是通過方向耦合器或通過各自的多模干涉耦合器進行耦合。所述所有波導及環形諧振腔是平面集成光波導。所述所有波導及環形諧振腔是由光纖構成。所述寬帶光源是發光二極管。所述輸入波導的另一端與第二光功率計相耦合。所述被測變量為應力或溫度，所述被測物質為液體或氣體。技術方案2:包括依次相耦合的寬帶光源、輸入波導、參照光學濾波器、連接波導、傳感光學濾 波器、輸出波導和光功率計；所述的參照光學濾波器(101)的透射頻率對應于一系列等間 隔的工作頻率，所述傳感光學濾波器的一個透射頻率與參照光學濾波器的一個透射頻率重 合時，其相鄰的諧振峰不完全重合；傳感光學濾波器中至少有一部分波導受到被測變量影 響作用或至少有一部分波導包層與被測物質接觸。所述的輸入波導、輸出波導、連接波導、參照光學濾波器和傳感光學濾波器均是由 光纖構成或由平面集成光波導構成。所述的參照光學濾波器和傳感光學濾波器是由一個或多個馬赫_曾德干涉儀構 成；或者是由陣列波導光柵構成；或者是由法布里_珀羅干涉儀構成。本發明具有的有益效果是通過使用不同腔長的級聯雙環的游標效應，將傳感環形腔諧振譜的移動轉變為總 出射譜包絡的移動，再通過測量光源全光譜范圍內輸出光強度的變化來測定被測物質或被 測量的變化。輸入光源采用LED等價格低廉的寬光源，而無需采用價格昂貴的調諧激光器， 并且探測的是全光譜范圍內的能量，而無需監控波長或使用高分辨率光譜儀，大大降低了 成本，簡單易行。與此同時也增加了靈敏度，物質折射率變化可探測最小量達6. 5X10—7。
圖1是背景技術中基于單個環形諧振腔的光波導傳感器示意圖。圖2是本發明第一種實施方式結構示意圖。圖3是本發明第一種實施方式透射譜示意圖。圖4是本發明第一種實施方式被測物質變化后透射譜示意圖。圖5是發光二極管LED光源光譜曲線示意圖。圖6是非傳感區與傳感區波導橫截面示意圖。圖7是第一種實施方式給出的實例的TM總輸出光強及TE模總輸出光強的變化 圖。圖8是本發明第二種實施方式結構示意圖。圖9是本發明第三種實施方式結構示意圖。圖中0、寬帶光源，1、輸入波導，2、輸出波導，3、連接波導，10、參照環形諧振腔，20、傳感環形諧振腔，51、多模干涉耦合器，52、多模干涉耦合器，53、多模干涉耦合器，54、多 模干涉耦合器，41、光功率計，42、光功率計，101、參照光學濾波器，102、傳感光學濾波器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。實施例1 圖2是本發明的第一個實施方式示意圖。它包含寬帶光源0、與寬帶光源相耦合 的輸入波導1、與輸入波導1相耦合的參照環形諧振腔10、與參照環形諧振腔10相耦合的 連接波導3，與連接波導3相耦合的傳感環形諧振腔20，與傳感諧振腔20相耦合的輸出波 導2，測輸入波導1另一端出射功率的功率計41，測輸出波導2出射功率的功率計42，所述 參照環形諧振腔10與傳感環形諧振腔20的光學長度不同，所述的參照環形諧振腔10的 光學長度使得它的諧振頻率對應于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感環形諧振腔20的 光學長度使得當它的一個諧振頻率與參照環形諧振腔10的一個諧振頻率重合時其相鄰的 諧振峰不完全重合；傳感環形諧振腔20中至少有一部分波導(例如取虛線框內)受到應 力、溫度等被測變量影響作用或其包層與被測物質接觸。應力、溫度等被測變量的影響作用 會引起傳感環形諧振腔20的光學長度變化或者被測物質的折射率等性質的變化通過倏逝 波影響傳感環形諧振腔20的光學長度，引起其諧振峰位置的變化；通過級聯雙環的游標效 應，將傳感環形諧振腔20諧振譜的移動放大為總透射譜包絡的移動，使得總透射譜中心波 長與光源中心波長的偏差發生變化，進而轉化為透射總輸出功率的變化，從而通過利用功 率計42探測輸出波導2中光信號的強度信息就可以獲得被測變量或被測物質的折射率和 濃度等信息。光功率計41的作用是探測輸入波導1直通端的功率(接近光源功率的恒定 值)。如果光源功率不穩定，則可以通過光功率計42與光功率計41的比值變化來測量被測 量，以消除光源功率波動帶來的誤差。圖2中所有波導與環形諧振腔之間的耦合通過方向耦合器實現。當寬帶光源0進入輸入波導1向右傳播的光到達波導與參照環形諧振腔10耦合 的區域時，會有一部分光側向耦合到環里，并在里面發生諧振，由于環的自干涉作用，只有 當參照環形諧振腔10的光程(光程為環的長度乘以其折射率)滿足光波長的整數倍時(該 波長稱為環的諧振波長)，該波長的光波才能被從連接波導中耦合出來，向左繼續傳播，其 余大部分光能量將會從輸入波導右的端口出射。同理，從連接波導3向左傳播的光波的波 長也必須滿足傳感環形諧振腔20的諧振條件才能通過傳感環形諧振腔20并從輸出波導2 輸出。環形諧振腔振幅透射系數為 式中c表示環與波導間的耦合系數，n, R分別表示環的折射率和半徑。h是光波 在真空中的波數。由(1)式可以得到環形諧振器的諧振條件2n 31 R = m 入(2)其中入是環的諧振波長，m是某個正整數。
由于兩個環的腔長略有不同，故其透射譜也不同(自由光譜FSR即相鄰諧振峰距 離不同)；由于兩個環串級連，所以總透射譜為 具有相乘效應，其中T1 = I、I2jT2= 11212分別為參照環形諧振腔10，傳感環形諧 振腔20的透射譜。如圖3(b)所示。在1550nm波長，兩環都發生諧振，所以總輸出譜上達 到最大，為中心波長。圖3給出了第一個實施方式參照環形諧振腔10，傳感環形諧振腔20各自的透射譜 (a)以及總的透射譜(b)。當傳感環形諧振腔20受到應力、溫度變化等作用時其光學長度會發生變化，或其 包層物質有變化時，由于包層內倏逝波的作用，會引起傳感環形諧振腔20波導模式有效折 射率發生變化，進而也引起光學長度變化。據 傳感環形諧振腔20的透射譜Τ2會發生移動。如圖4所示(a)在1550nm處，Tl 與T2的諧振頻率不再重合，而是其相鄰的峰發生重合，(b)表現在總透射譜T上就是包絡 發生了移動，中心波長移動到了相鄰的峰上。由此可以看出，T2移動FSR1-FSR2，而T總輸出
FSR1
最大跳變到側峰上變化了 FSR1,因此T2的移動相當于被放大了一個因子一^ι，這
就是游標效應的放大作用。(FSR1, FSR2分別為Tl，T2的自由光譜范圍)如果采用LED作為寬帶光源0，其光譜曲線如圖5所示，中心波長在1550nm，恒定 不變。當T2發生移動時總的透射射光譜T包絡發生移動，其中心峰值波長與光源中心波長 1550nm的距離發生變化，引起整個光譜圍內的總輸出光功率的變化。所以，可以通過測量整 個光譜圍內的總光功率的變化來探測被測變量或被測物質的變化。如果波導結構選用條型波導，基于SOKsilicon-on-insulator)平臺，波導芯層 高度0. 22um,寬度lum，芯層折射率3. 48，襯底折射率1. 444。對于TM模，模式有效折射率 neff變化量相對于包層折射率η。變化量的比值為dneff/dnc = 43% for TM(5)對于TE模，模式有效折射率Iieff變化量相對于包層折射率η。變化量的比值為dneff/dnc =15% for TE(6)圖6給出了用于物質測量時波導橫截面示意圖。(a)給出了非傳感區波導橫截面， 上包層可選用Su-8膠或二氧化硅等材料或與被測物質相當的參考物質，同時也起保護作 用；(b)給出了傳感區波導橫截面，上包層為被測物質，被測物質的變化引起波導模式折射 率變化。兩環的半徑取為120um及121.2um，相差；環與直波導之間能量耦合系數取 10% ；損耗設為ldb/cm ；LED光源能量設為lmw。圖7給出了被測物質折射率從1. 33變化到1. 33+2. 44X 10_3時，TM模總輸出光能 量的變化，以及被測物質折射率從1. 33變化到1. 33+7X ΙΟ"3時，TE模總輸出光能量的變 化。由圖可以看出，隨著被測物質折射率變化(T2移動)，因為總透射譜T的包絡中心波長 與LED光源中心波長逐漸錯開，總輸出光能量逐漸減小。經計算TM模最高靈敏度(斜率最高)達到15400dB/RIU，與探測精度為0. OldB的探測器結合，則可以探測的最小折射率變化 為6. 5 X 10_7 ；TE模最高靈敏度達到4350dB/RIU，與探測精度為0. OldB的探測器結合，則可 以探測的最小折射率變化為2. 3X 10_6。TE，TM模式的探測靈敏度不同是由于它們各自的有效折射率neff變化相對于包層 折射率n。變化的敏感度不同，以及模式色散不同。相比較而言TM模靈敏度高，探測范圍小； TE模靈敏度低，探測范圍大。實際應用中，可以用適當的偏振分離器將LED出射光的兩個等 功率偏振態分別送入兩個獨立的級聯環傳感器，形成兩個探測通道。根據探測精度及范圍 要求可以選擇不同的通道，或將兩者結合同時達到高靈敏度和大測量范圍。實施例2 圖8是本發明第二種實施方式結構示意圖。它包含寬帶光源0、與寬帶光源相耦合 的輸入波導1、與輸入波導相耦合的參照環形諧振腔10、與參照環形諧振腔10相耦合的連 接波導3，與連接波導3相耦合的傳感環形諧振腔20，與傳感諧振腔20相耦合的輸出波導 2，測輸入波導1另一端出射功率的光功率計41，測輸出波導2出射功率的光功率計42，所 述參照環形諧振腔10與傳感環形諧振腔20的光學長度不同，所述的參照環形諧振腔10的 光學長度使得它的諧振頻率對應于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感環形諧振腔20的 光學長度使得當它的一個諧振頻率與參照環形諧振腔10的一個諧振頻率重合時其相鄰的 諧振峰不完全重合；傳感環形諧振腔20中至少有一部分波導(例如取虛線框內)受到應 力、溫度等被測變量影響作用或其包層與被測物質接觸。應力、溫度等被測變量的影響作用 會引起傳感環形諧振腔20的光學長度變化或者被測物質的折射率等性質的變化通過倏逝 波影響傳感環形諧振腔20的光學長度，引起其諧振峰位置的變化；通過級聯雙環的游標效 應，將傳感環形腔諧振譜的移動放大為總透射譜包絡的移動，使得總出射譜中心波長與光 源中心波長的偏差發生變化，進而轉化為透射總輸出功率的變化，從而通過利用光功率計 42探測輸出波導2中光信號的強度信息就可以獲得被測變量或被測物質的折射率和濃度 等信息。光功率計41的作用是探測輸入波導1直通端的功率(接近光源功率的恒定值)。 如果光源功率不穩定，則可以通過光功率計42與光功率計41的比值變化來測量被測量，以 消除光源功率波動帶來的誤差。圖8中所有波導與環形諧振腔之間的耦合通過各自的多模干涉耦合器51、52、53 和54實現。上述實施例主要討論了光波導和環型諧振腔是基于平面光波導的情況。本發明中 所述的光波導和環型諧振腔也可以是基于光纖或微納光纖結構，光纖環諧振腔與輸入/輸 出及連接光纖之間的耦合可通過融接方法或倏逝波耦合的方法實現。用光纖結構具有對偏 振非敏感的優點。實施例3:本發明中的環型諧振腔是起到一個光學濾波器的作用，具有高品質因子(Q值) 的優點，但環型諧振腔可以由一個馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉儀、陣列波導光柵、 布拉格光柵或法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀等濾波器來代替，其中法布里-珀羅 (Fabry-Perot)干涉儀可以由兩個布拉格光柵構成。如圖9所示，包括寬帶光源0、與寬帶光源耦合的輸入波導1、與輸入波導相耦合的 參照光學濾波器101、與參照光學濾波器101相耦合的連接波導3，與連接波導3相耦合的傳感光學濾波器102，與傳感光學濾波器102相耦合的輸出波導2，測輸出功率的光功率計 42，所述的參照光學濾波器101的透射頻率對應于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感光 學濾波器102的一個透射頻率與參照光學濾波器的一個透射頻率重合時，其相鄰的諧振峰 不完全重合；傳感光學濾波器102中至少有一部分波導受到應力、溫度等被測變量影響作 用或其包層與被測物質接觸。應力、溫度等被測變量的影響作用或者被測物質的折射率等 性質的變化會引起傳感光學濾波器102透射頻率的變化；通過兩級連光學濾波器的游標效 應將此將傳感光學濾波器透射頻率的移動放大為總透射譜包絡的移動，使得總透射譜中心 波長與光源中心波長的偏差發生變化，進而轉化為透射總輸出功率的變化，從而通過利用 功率計42探測輸出波導2中光信號的強度信息就可以獲得被測變量或被測物質的折射率 和濃度等信息。
所述的輸入波導、輸出波導、連接波導、參照光學濾波器和傳感光學濾波器均是由 光纖構成或由平面集成光波導構成。所述的參照光學濾波器和傳感光學濾波器是由一個或多個馬赫_曾德干涉儀構 成；或者是由陣列波導光柵構成；或者是由法布里_珀羅干涉儀構成。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制。在本發明的精神和 權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳感器，其特征在于它包含寬帶光源(0)、與寬帶光源(0)相耦合的輸入波導(1)、與輸入波導(1)相耦合的參照環形諧振腔(10)、與參照環形諧振腔(10)相耦合的連接波導(3)、與連接波導(3)相耦合的傳感環形諧振腔(20)、與傳感環形諧振腔(20)相耦合的輸出波導(2)、與輸出波導(2)相耦合測其出射光功率的第一光功率計(42)；所述參照環形諧振腔(10)與傳感環形諧振腔(20)的光學長度不同，所述的參照環形諧振腔(10)的光學長度使得它的諧振頻率對應于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感環形諧振腔(20)的光學長度使得當它的一個諧振頻率與參照環形諧振腔(10)的一個諧振頻率重合時其相鄰的諧振峰不完全重合；傳感環形諧振腔(20)中至少有一部分波導受到被測變量影響作用或至少有一部分波導包層與被測物質接觸。
2.根據權利要求1所述的一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳感 器，其特征在于所述輸入波導(1)和連接波導(3)與參照環形諧振腔(10)之間的耦合是 通過方向耦合器或通過各自的多模干涉耦合器進行耦合；所述的輸出波導(2)和連接波導 (3)與傳感環形諧振腔(20)之間的耦合是通過方向耦合器或通過各自的多模干涉耦合器 進行耦合。
3.根據權利要求1所述的一種光傳感器，其特征在于所述所有波導及環形諧振腔是 平面集成光波導。
4.根據權利要求1所述的一種光傳感器，其特征在于所述所有波導及環形諧振腔是 由光纖構成。
5.根據權利要求1所述的一種光傳感器，其特征在于所述寬帶光源是發光二極管。
6.根據權利要求1所述的一種光傳感器，其特征在于所述輸入波導(1)的另一端與 第二光功率計(41)相耦合。
7.根據權利要求1所述的一種光傳感器，其特征在于所述被測變量為應力或溫度，所 述被測物質為液體或氣體。
8.一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳感器，其特征在于包括依 次相耦合的寬帶光源(0)、輸入波導(1)、參照光學濾波器(101)、連接波導(3)、傳感光學濾 波器(102)、輸出波導(2)和光功率計(42)；所述的參照光學濾波器(101)的透射頻率對應 于一系列等間隔的工作頻率，所述傳感光學濾波器(102)的一個透射頻率與參照光學濾波 器(101)的一個透射頻率重合時，其相鄰的諧振峰不完全重合；傳感光學濾波器(102)中至 少有一部分波導受到被測變量影響作用或至少有一部分波導包層與被測物質接觸。
9.根據權利要求8所述的一種光傳感器，其特征在于所述的輸入波導(1)、輸出波導 (2)、連接波導(3)、參照光學濾波器(101)和傳感光學濾波器(102)均是由光纖構成或由平 面集成光波導構成。
10.根據權利要求8或9所述的一種光傳感器，其特征在于所述的參照光學濾波器 (101)和傳感光學濾波器(102)是由一個或多個馬赫-曾德干涉儀構成；或者是由陣列波 導光柵構成；或者是由法布里_珀羅干涉儀構成。
全文摘要
本發明公開了一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器游標效應的光傳感器。它包含寬帶光源、輸入波導、連接波導、輸出波導、與輸入波導及連接波導相耦合的參照環形諧振腔、與連接波導及輸出波導相耦合的參照環形諧振腔、兩個光功率計。傳感環形諧振腔與參照環形諧振腔的光學長度不同，傳感環形諧振腔的一個諧振頻率與參照環形諧振腔的一個諧振頻率重合時其相鄰的諧振峰不完全重合。傳感環形諧振腔中至少有一部分波導受到被測變量影響作用或至少有一部分波導包層與被測物質接觸。被測變量影響作用或被測物質變化引起諧振譜的移動。通過雙諧振腔的游標效應可將此移動放大為總透射譜包絡的移動，并將其轉換為透射總輸出功率的變化，從而簡單地檢測被測量。
文檔編號G01D5/26GK101871790SQ201010195899
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者何建軍, 李明宇, 金磊 申請人:浙江大學