何建军 (中国浙江省杭州市西湖区浙大路38号浙江大学光电系, Zhejiang 7, 310027, CN)
JIN, Lei (HE Jianjun, Department of Optical Engineering Zhejiang University,38 Zheda Road, Xihu Distric, Hangzhou Zhejiang 7, 310027, CN)
浙江大学 (中国浙江省杭州市西湖区浙大路38号浙江大学光电系何建军, Zhejiang 7, 310027, CN)
HE, Jianjun (Department of Optical Engineering, Zhejiang University38 Zheda Road, Xihu Distric, Hangzhou Zhejiang 7, 310027, CN)
何建军 (中国浙江省杭州市西湖区浙大路38号浙江大学光电系, Zhejiang 7, 310027, CN)
| 权 利 要 求 书 1. 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器， 其特征在于： 它包 含宽带光源 （0)、 与宽带光源 （0) 相耦合的输入波导 （1 )、 与输入波导相耦合 的参照环形谐振腔 （10)、 与参照环形谐振腔 （10) 相耦合的连接波导 （3 )、 与 连接波导 （3 ) 相耦合的传感环形谐振腔 （20)、 与传感环形谐振腔 （20) 相耦 合的输出波导 （2)、 与输出波导 (2)相耦合测其出射光功率的第一光功率计 (42); 所述参照环形谐振腔 (10)与传感环形谐振腔 (20)的光学长度相同， 所述的参照环 形谐振腔 (10)的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所 述传感环形谐振腔 (20)的光学长度使得它的谐振频率与参照环形谐振腔 (10)的谐 振频率一一对应重合；传感环形谐振腔 (20)中至少有一部分波导受到被测变量影 响作用或至少有一部分波导包层与被测物质接触。 2. 根据权利要求 1所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述的所有波导与 环形谐振腔之间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦 合。 3. 根据权利要求 1所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述宽带光源是发 、 4. 根据权利要求 1所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述输入波导 (1)的 另一端与第二光功率计 (41)相耦合。 5. 根据权利要求 1所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述被测变量为应 力或温度， 所述被测物质为液体或气体。 6. 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器， 其特征在于： 包括 依次相耦合的宽带光源 (0)、 输入波导 (1)、 参照光学滤波器 (101)、 连接波导 (3)、 传感光学滤波器 (102)、输出波导 (2)和光功率计 (42);所述的参照光学滤波器 (101) 的透射频率对应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感光学滤波器 (102)的透射 频率与参照光学滤波器 (101)的透射频率一一对应重合； 传感光学滤波器 (102)中 至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质 接触。 7. 根据权利要求 6所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述的所有波导及 光学滤波器是由光纤构成或由平面集成光波导构成。 8. 根据权利要求 6或 7所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述的光学滤 波器是由一个或多个马赫 -曾德干涉仪构成； 或者是由阵列波导光栅构成； 或者 是由法布里 -珀罗干涉仪构成。 9. 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器， 其特征在于： 它包 含宽带光源 （0 )、 与宽带光源 （0) 相耦合的输入波导 （1 )、 与输入波导 （1 ) 相耦合的参照环形谐振腔（10)、与参照环形谐振腔（10)相耦合的连接波导（3 )、 与连接波导 （3 ) 相耦合的传感环形谐振腔 （20)、 与传感环形谐振腔 （20) 相 耦合的输出波导（2)、与输出波导 (2)相耦合测其出射光功率的第一光功率计 (42); 所述参照环形谐振腔 (10)与传感环形谐振腔 (20)的光学长度不同， 所述的参照环 形谐振腔 (10)的光学长度使得它的谐振频率对应于一系列等间隔的工作频率，所 述传感环形谐振腔 (20)的光学长度使得当它的一个谐振频率与参照环形谐振腔 (10)的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合； 传感环形谐振腔 (20)中 至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层与被测物质 接触。 10. 根据权利要求 9 所述的一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传 感器， 其特征在于： 所述输入波导 (1)和连接波导 (3)与参照环形谐振腔 （10) 之 间的耦合是通过方向耦合器或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合； 所述的输 出波导 (2)和连接波导 (3)与传感环形谐振腔 (20)之间的耦合是通过方向耦合器或 通过各自的多模干涉耦合器进行耦合。 11. 根据权利要求 9所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述宽带光源是发 、 12. 根据权利要求 9所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述输入波导 (1) 的另一端与第二光功率计 (41)相耦合。 13. 根据权利要求 9所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述被测变量为应 力或温度， 所述被测物质为液体或气体。 14. 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器， 其特征在于： 包括 依次相耦合的宽带光源 (0)、 输入波导 (1)、 参照光学滤波器 (101)、 连接波导 (3)、 传感光学滤波器 (102)、输出波导 (2)和光功率计 (42);所述的参照光学滤波器 (101) 的透射频率对应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感光学滤波器 (102)的一个 透射频率与参照光学滤波器 (101)的一个透射频率重合时， 其相邻的谐振峰不完 全重合； 传感光学滤波器 (102)中至少有一部分波导受到被测变量影响作用或至 少有一部分波导包层与被测物质接触。 15. 根据权利要求 14所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述的输入波导 (1)、 输出波导 (2)、 连接波导 (3)、 参照光学滤波器 (101)和传感光学滤波器 (102) 均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。 16. 根据权利要求 14或 15所述的一种光传感器， 其特征在于： 所述的参照 学滤波器 (101)和传感光学滤波器 (102)是由一个或多个马赫-曾德干涉仪构 者是由阵列波导光栅构成； 或者是由法布里 -珀罗干涉仪构成。 |
技术领域
本发明涉及基于宽带光源和级连光波导滤波器 的光波导传感器，尤其是涉及 一种基于级连环形腔的光波导传感器。
背景技术
光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支 ， 在工业过程控制、 环境监 测、 食品安全和国家安全等方面有着十分重要的应 用。 光传感技术可解决电传 感技术存在的灵敏度低、 易受干扰、 感应时间较长、 检测某些化学气体不安全 等方面的问题。 光传感器具有灵敏度高、 体积小、 抗电磁干扰能力强、 便于集 成、 可在线检测的优点， 在传感领域占有越来越重要的地位。
光波导传感器件的基本原理是基于光纤或平面 波导的界面 /表面所出现的 倏逝波， 由于倏逝波透出波导的表面 (接触待测物质)并会返同波导中， 并影响波 导中传输光的特性， 因此探测波导中传输光的变化可实现光传感。
环形谐振腔因其具有尖锐的谐振峰，可以实现 高灵敏度而备受关注。 图 1给 出了基于单个环形谐振腔的光波导传感器结构 示意图。 模式折射率的变化引起 环形谐振腔透射谱的移动， 通过测量透射峰的波长移动或在透射峰附近某 个固 定波长的光的能量变化就能测定被测物质的变 化。 K.De Vos et al,"Silicon-on-Insulat or microring resonator for sensitive and label-free biosensing",Optics Express 15, pp.7610-7615(2007)。 这个方法的缺点是测量透射 峰的波长移动需要一个价格昂贵的光谱仪， 其测量精度与光谱仪的精度直接相 关。 如果用测量透射峰附近某个固定波长光能量变 化的方法， 则需要一个窄线 宽的激光器作为光源， 而且激光器的波长要与谐振环的透射峰有精确 的相对位 置， 而且要非常稳定。 这些要求都大大增加了测量装置的成本， 降低了可靠性。 发明内容
本发明的目的在于提供一种基于宽带光源和级 连光波导滤波器的光传感 器， 使用 LED等成本低廉的宽光源作为输入光源， 通过测量全光谱输出光的强 度 （无需探测光谱信息） 的变化来探测被测物质、 被测量的变化， 而且对光源 和系统的稳定性要求也大大降低。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
技术方案 1: 一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传 感器， 它包含宽带光源、 与 宽带光源相耦合的输入波导、 与输入波导相耦合的参照环形谐振腔、 与参照环 形谐振腔相耦合的连接波导、 与连接波导相耦合的传感环形谐振腔、 与传感环 形谐振腔相耦合的输出波导、 与输出波导相耦合测其出射光功率的第一光功 率 计)； 所述参照环形谐振腔与传感环形谐振腔的光学 长度相同， 所述的参照环形 谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一 系列等间隔的工作频率， 所述传 感环形谐振腔的光学长度使得它的谐振频率与 参照环形谐振腔的谐振频率一一 对应重合； 传感环形谐振腔中至少有一部分波导受到被测 变量影响作用或至少 有一部分波导包层与被测物质接触。
所述的所有波导与环形谐振腔之间的耦合是通 过方向耦合器或通过各自的 多模干涉耦合器进行耦合。
所述宽带光源是发光二极管。
输入波导的另一端与第二光功率计相耦合。
所述被测变量为应力或温度， 所述被测物质为液体或气体。
技术方案 2:
一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传 感器， 它包括依次相耦合的 宽带光源、 输入波导、 参照光学滤波器、 连接波导、 传感光学滤波器、 输出波 导、 光功率计； 所述的参照光学滤波器的透射频率对应于一系 列等间隔的工作 频率， 所述传感光学滤波器的透射频率与参照光学滤 波器的透射频率一一对应 重合； 传感光学滤波器中至少有一部分波导受到被测 变量影响作用或至少有一 部分波导包层与被测物质接触。
所述的所有波导及光学滤波器是由光纤构成或 由平面集成光波导构成。 所述的光学滤波器是由一个或多个马赫 -曾德干涉仪构成； 或者是由阵列波 导光栅构成； 或者是由法布里 -珀罗干涉仪构成。
技术方案 3：
一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传 感器， 它包含宽带光源、 与 宽带光源相耦合的输入波导、 与输入波导相耦合的参照环形谐振腔、 与参照环 形谐振腔相耦合的连接波导、 与连接波导相耦合的传感环形谐振腔、 与传感环 形谐振腔相耦合的输出波导、 与输出波导相耦合测其出射光功率的第一光功 率 计； 所述参照环形谐振腔与传感环形谐振腔的光学 长度不同， 所述的参照环形 谐振腔的光学长度使得它的谐振频率对应于一 系列等间隔的工作频率， 所述传 感环形谐振腔的光学长度使得当它的一个谐振 频率与参照环形谐振腔的一个谐 振频率重合时其相邻的谐振峰不完全重合； 传感环形谐振腔中至少有一部分波 导受到被测变量影响作用或至少有一部分波导 包层与被测物质接触。 所述输入波导和连接波导与参照环形谐振腔之 间的耦合是通过方向耦合器 或通过各自的多模干涉耦合器进行耦合； 所述的输出波导和连接波导与传感环 形谐振腔之间的耦合是通过方向耦合器或通过 各自的多模干涉耦合器进行耦 合。
所述宽带光源是发光二极管。
所述输入波导的另一端与第二光功率计相耦合 。
所述被测变量为应力或温度， 所述被测物质为液体或气体。
技术方案 4：
一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传 感器， 它包括依次相耦合的 宽带光源、 输入波导、 参照光学滤波器、 连接波导、 传感光学滤波器、 输出波 导和光功率计； 所述的参照光学滤波器的透射频率对应于一系 列等间隔的工作 频率， 所述传感光学滤波器的一个透射频率与参照光 学滤波器的一个透射频率 重合时， 其相邻的谐振峰不完全重合； 传感光学滤波器中至少有一部分波导受 到被测变量影响作用或至少有一部分波导包层 与被测物质接触。
所述的输入波导、 输出波导、 连接波导、 参照光学滤波器和传感光学滤波 器均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。
所述的参照光学滤波器和传感光学滤波器是由 一个或多个马赫 -曾德干涉仪 构成； 或者是由阵列波导光栅构成； 或者是由法布里 -珀罗干涉仪构成。
本发明具有的有益效果是：
( 1 )通过使用相同腔长的级联双环的滤波效应， 将传感环形腔谐振谱的移 动转变为总出射谱上所有峰值能量的同步变化 ， 再通过测量全光谱范围内输出 光强度的变化来测定被测物质或被测量的变化 。 输入光源采用 LED等价格低廉 的宽光源， 而无需采用价格昂贵的调谐激光器， 并且探测的是全光谱范围内的 能量， 而无需监控波长或使用高分辨率光谱仪， 大大降低了成本， 简单易行。 与此同时也增加了灵敏度， 物质折射率变化可探测最小量达 3.9χ10— 7 。
(2 )通过使用不同腔长的级联双环的游标效应， 将传感环形腔谐振谱的移 动转变为总出射谱包络的移动， 再通过测量光源全光谱范围内输出光强度的变 化来测定被测物质或被测量的变化。 输入光源采用 LED等价格低廉的宽光源， 而无需采用价格昂贵的调谐激光器， 并且探测的是全光谱范围内的能量， 而无 需监控波长或使用高分辨率光谱仪， 大大降低了成本， 简单易行。 与此同时也 增加了灵敏度， 物质折射率变化可探测最小量达 6.5xl0— 7 。
附图说明 图 1是背景技术中基于单个环形谐振腔的光波导 感器示意图。 图 2是本发明实施例 1的结构示意图
图 3是本发明实施例 1的透射谱示意图。
图 4是本发明实施例 1的被测物质变化后透射谱示意图。
图 5中， （a)为 LED光源光谱曲线， （b)为本发明实施例 1在 LED光源下 的总输出谱，（c)为本发明实施例 1在 LED光源下被测物质变化后的总输出谱。
图 6是非传感区与传感区波导横截面示意图。
图 7是实施例 1的 TM总输出光强及 TE模总输出光强的变化图
图 8是本发明实施例 2的结构示意图。
图 9是本发明实施例 3的结构示意图。
图 10是本发明实施例 4的结构示意图。
图 11是本发明实施例 4的透射谱示意图。
图 12是本发明实施例 4的被测物质变化后透射谱示意图。
图 13是发光二极管 LED光源光谱曲线示意图。
图 14是实施例 4的 TM总输出光强及 TE模总输出光强的变化图。
图 15是本发明实施例 5的结构示意图。
图 16是本发明实施例 6的结构示意图。
图中： 0、 宽带光源， 1、 输入波导， 2、 输出波导， 3、 连接波导， 10、 参 照环形谐振腔， 20、 传感环形谐振腔， 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、 光功率计， 42、 光功 率计， 101、 参照光学滤波器， 102、 传感光学滤波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说 明。
实施例 1:
图 2是本发明的实施例 1的示意图。它包含宽带光源 0、与宽带光源相耦合 的输入波导 1、 与输入波导 1相耦合的参照环形谐振腔 10、 与参照环形谐振腔 10相耦合的连接波导 3， 与连接波导 3相耦合的传感环形谐振腔 20， 与传感环 形谐振腔 20相耦合的输出波导 2， 测输入波导 1另一端出射功率的功率计 41， 测输出波导 2出射功率的功率计 42，所述参照环形谐振腔 10与传感环形谐振腔 20的光学长度相同，所述的参照环形谐振腔 10的光学长度使得它的谐振频率对 应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感环形谐振腔 20的光学长度使得它的谐 振频率与参照环形谐振腔 10的谐振频率一一对应完全重合；传感环形谐 腔 20 中至少有一部分波导 （例如取虚线框内） 受到应力、 温度等被测变量影响作用 或其包层与被测物质接触。 应力、 温度等被测变量的影响作用会引起传感环形 谐振腔 20的光学长度变化或者被测物质的折射率等性 的变化通过倏逝波影响 传感环形谐振腔 20的光学长度， 引起其谐振峰位置的变化， 通过两谐振腔的级 联滤波效应将此谐振峰位置的变化转化总输出 谱上所有峰的强度的高灵敏度同 步变化， 从而通过利用功率计 42探测输出波导 2中光信号的强度信息就可以获 得被测变量或被测物质的折射率和浓度等信息 。 光功率计 41的作用是探测输入 波导 1直通端的功率 （接近光源功率的恒定值）。 如果光源功率不稳定， 则可以 通过光功率计 42与光功率计 41 的比值变化来测量被测量， 以消除光源功率波 动带来的误差。
图 2中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过方 耦合器实现。
当宽带光源 0进入输入波导 1向右传播的光到达波导与参照环形谐振腔 10 耦合的区域时， 会有一部分光侧向耦合到环里， 并在里面发生谐振， 由于环的 自干涉作用，只有当参照环形谐振腔 10的光程（光程为环的长度乘以其折射率) 满足光波长的整数倍时 （该波长称为环的谐振波长）， 该波长的光波才能被从联 接波导中耦合出来， 向左继续传播， 其余大部分光能量将会从输入波导右的端 口出射。 同理， 从连接波导 3 向左传播的光波的波长也必须满足传感环形谐 振 腔 20的谐振条件才能通过传感环形谐振腔 20并从输出波导 2输出。
环形谐振腔振幅透射系数为：
-C e 0
t二 ( 1 ) 式中 c表示环与波导间的耦合系数， n，R 分别表示环的折射率和半径。 是光波 在真空中的波数。 由 （1 ) 式可以得到环形谐振器的谐振条件：
其中 是环的谐振波长， m是某个正整数。
由于两个环的腔长相同， 故其透射谱相同（自由光谱 FSR相同）； 由于两个 环串级联， 所以总透射谱为
Τ=Τ1χΤ2 ( 3 ) 具有相乘效应， 其中 7 = |^| 2 ， r 2 = | 2 | 2 分别为传感环形谐振腔 10， 参照环形 谐振腔 20的透射谱。
图 3给出了实施例 1中参照环形谐振腔 10、传感环形谐振腔 20各自的透射 谱 （a) 以及总的透射谱 （b)。 参照环形谐振腔 10谐振的波长， 传感环形谐振 腔 20也谐振， 所以总输出谱上同样达到最大。 当传感环形谐振腔 20受到应力、温度变化等作用时其光学长度会 生变化， 或其包层物质有变化时， 由于包层内倏逝波的作用， 会引起环 10波导模式有效 折射率发生变化， 进而也引起光学长度变化。 据
άλ dL , , 一， ^
— = ( L = InnR 为光学长度） （4) 传感环形谐振腔 10的透射谱 T1会发生移动。 如图 4所示： （a) 原先 T1与 T2 的一一对应的峰有了错位， （b)表现在总透射谱上就是所有峰值功率都下 。
如果采用 LED作为宽带光源 0， 其光谱曲线如图 5 (a) 所示， 总的出射光 谱如图 5 (b)所示， T1发生移动后总的出射光谱如图 5 (c)所示。 可以通过测 量整个光谱围内的总光功率的变化来探测被测 变量或被测物质的变化。
如果波导结构选用条型波导， 基于 SOI (silicon-on-insulator)平台， 波导芯 层高度 0.22um， 宽度 lum， 芯层折射率 3.48， 衬底折射率 1.444。 对于 TM模， 模式有效折射率 n eff 变化量相对于包层折射率 变化量的比值为：
Sn eff /6n c = 43 % for TM (5 ) 对于 TE模， 模式有效折射率 变化量相对于包层折射率 变化量的比值 为：
Sn eff /Sn c = 15% for TE (6) 图 6 给出了用于物质测量时波导横截面示意图。 （a) 给出了非传感区波导 横截面，上包层可选用 Su-8胶或二氧化硅等材料或与被测物质相当的 考物质， 同时也起保护作用； （b) 给出了传感区波导横截面， 上包层为被测物质， 被测 物质的变化引起波导模式折射率变化。
两环的半径取为 140um， 环与直波导之间能量耦合系数取 10% , 损耗设为 ldb/cm, LED光源能量设为 lmw。
图 7给出了被测物质折射率从 1.33变化到 1.33+2.02X10- 3 时， TM模总输出 光能量的变化， 以及被测物质折射率从 1.33变化到 1.33+5.84X10- 3 时， TE模总 输出光能量的变化。 由图可以看出， 随着被测物质折射率变化（T1移动）， 因为 Tl、 Τ2中同一级次的谐振峰逐渐错开， 总输出光能量逐渐减小。 经计算 ΤΜ模 最高灵敏度 （斜率最高） 达到 25600 6^/R/t/， 与探测精度为 O.OldB的探测器结 合， 则可以探测的最小折射率变化为 3.9xl0- 7 ; TE 模最高灵敏度达到 8700 dB/RIU, 与探测精度为 O.OldB的探测器结合， 则可以探测的最小折射率变化为 1.15xl0- 6 。
TE， TM模式的探测灵敏度不同是由于它们各自的有 折射率 变化相对 于包层折射率 n e 变化的敏感度不同， 以及模式色散不同。 相比较而言 TM模灵 敏度高， 探测范围小； TE模灵敏度低， 探测范围大。 实际应用中， 可以用适当 的偏振分离器将 LED出射光的两个等功率偏振态分别送入两个独 立的级联环传 感器， 形成两个探测通道。 根据探测精度及范围要求可以选择不同的通道 ， 或 将两者结合同时达到高灵敏度和大测量范围。
实施例 2:
图 8为本发明实施例 2的结构示意图。它包含宽带光源 0、与宽带光源相耦 合的输入波导 1、 与输入波导相耦合的参照环形谐振腔 10、 与参照环形谐振腔 10相耦合的连接波导 3， 与连接波导 3相耦合的传感环形谐振腔 20， 与传感环 形谐振腔 20相耦合的输出波导 2，测输入波导 1另一端出射功率的光功率计 41， 测输出波导 2出射功率的光功率计 42，所述参照环形谐振腔 10与传感环形谐振 腔 20的光学长度相同， 所述的参照环形谐振腔 10的光学长度使得它的谐振频 率对应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感环形谐振腔 20的光学长度使得它 的谐振频率与参照环形谐振腔 10的谐振频率一一对应基本重合； 传感环形谐振 腔 20中至少有一部分波导 （例如取虚线框内） 受到应力、 温度等被测变量影响 作用或其包层与被测物质接触。 应力、 温度等被测变量的影响作用会引起传感 环形谐振腔 20的光学长度变化或者被测物质的折射率等性 的变化通过倏逝波 影响传感环形谐振腔 20的光学长度， 引起其谐振峰位置的变化， 通过两谐振腔 的级联滤波效应将此谐振峰位置的变化转化总 输出谱上所有峰的强度的高灵敏 度同步变化， 从而通过利用光功率计 42探测输出波导 2中光信号的强度信息就 可以获得被测变量或被测物质的折射率和浓度 等信息。 光功率计 41的作用是探 测输入波导 1直通端的功率 （接近光源功率的恒定值）。 如果光源功率不稳定， 则可以通过光功率计 42与光功率计 41 的比值变化来测量被测量， 以消除光源 功率波动带来的误差。
图 8中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过各 的多模干涉耦合器 51、 52、 53、 54实现。
上述实施例主要讨论了光波导和环型谐振腔是 基于平面光波导的情况。本发 明中所述的光波导和环型谐振腔也可以是基于 光纤或微纳光纤结构， 光纤环谐 振腔与输入 /输出及连接光纤之间的耦合可通过融接方法 倏逝波耦合的方法实 现。 用光纤结构具有对偏振非敏感的优点。 用微纳光纤制作的微环结构可以增 大谐振峰之间的间隔， 增大谐振环长度相对容差。
实施例 3：
本发明中的环型谐振腔是起到一个光学滤波器 的作用， 具有高品质因子 (Q 值)的优点， 但环型谐振腔可以由一个马赫 -曾德 (Mach-Zehnder)干涉仪、 阵列波 导光栅、布拉格光栅或法布里 -珀罗 (Fabry-Perot)干涉仪等滤波器来代替， 其中法 布里 -珀罗 (Fabry-Perot)干涉仪可以由两个布拉格光栅构成
如图 9所示， 包括宽带光源 0、 与宽带光源耦合的输入波导 1、 与输入波导 相耦合的参照光学滤波器 101、与参照光学滤波器 101 相耦合的连接波导 3， 与 连接波导 3相耦合的传感光学滤波器 102，与传感光学滤波器 102相耦合的输出 波导 2， 测输出功率的光功率计 42， 所述的参照光学滤波器 101 的透射频率对 应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感光学滤波器 102 的透射频率与参照光 学滤波器 101 的透射频率一一对应基本重合； 传感光学滤波器 102中至少有一 部分波导受到应力、 温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质 接触。 应力、 温度等被测变量的影响作用或者被测物质的折 射率等性质的变化会引起传感光 学滤波器 102透射频率的变化， 通过两光学滤波器的级联滤波效应将此透射频 率的变化转化总输出谱上所有峰的强度的高灵 敏度同步变化， 从而通过利用功 率计 42探测输出波导 2中光信号的强度信息就可以获得被测变量或 测物质的 折射率和浓度等信息。
实施例 4:
图 10是本发明的实施例 4示意图。 它包含宽带光源 0、 与宽带光源相耦合 的输入波导 1、 与输入波导 1相耦合的参照环形谐振腔 10、 与参照环形谐振腔 10相耦合的连接波导 3， 与连接波导 3相耦合的传感环形谐振腔 20， 与传感谐 振腔 20相耦合的输出波导 2， 测输入波导 1另一端出射功率的功率计 41， 测输 出波导 2出射功率的功率计 42， 所述参照环形谐振腔 10与传感环形谐振腔 20 的光学长度不同， 所述的参照环形谐振腔 10的光学长度使得它的谐振频率对应 于一系列等间隔的工作频率， 所述传感环形谐振腔 20的光学长度使得当它的一 个谐振频率与参照环形谐振腔 10的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰不完 重合； 传感环形谐振腔 20中至少有一部分波导 （例如取虚线框内） 受到应力、 温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质 接触。 应力、 温度等被测变量的 影响作用会引起传感环形谐振腔 20的光学长度变化或者被测物质的折射率等性 质的变化通过倏逝波影响传感环形谐振腔 20的光学长度， 引起其谐振峰位置的 变化； 通过级联双环的游标效应， 将传感环形谐振腔 20谐振谱的移动放大为总 透射谱包络的移动， 使得总透射谱中心波长与光源中心波长的偏差 发生变化， 进而转化为透射总输出功率的变化， 从而通过利用功率计 42探测输出波导 2中 光信号的强度信息就可以获得被测变量或被测 物质的折射率和浓度等信息。 光 功率计 41 的作用是探测输入波导 1直通端的功率 （接近光源功率的恒定值）。 如果光源功率不稳定， 则可以通过光功率计 42与光功率计 41 的比值变化来测 量被测量， 以消除光源功率波动带来的误差。
图 10中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过方 耦合器实现。
当宽带光源 0进入输入波导 1向右传播的光到达波导与参照环形谐振腔 10 耦合的区域时， 会有一部分光侧向耦合到环里， 并在里面发生谐振， 由于环的 自干涉作用，只有当参照环形谐振腔 10的光程（光程为环的长度乘以其折射率） 满足光波长的整数倍时 （该波长称为环的谐振波长）， 该波长的光波才能被从连 接波导中耦合出来， 向左继续传播， 其余大部分光能量将会从输入波导右的端 口出射。 同理， 从连接波导 3 向左传播的光波的波长也必须满足传感环形谐 振 腔 20的谐振条件才能通过传感环形谐振腔 20并从输出波导 2输出。
环形谐振腔振幅透射系数由式 （1 ) 给出， 环形谐振器的谐振条件由式 （2) 给出。 由于两个环的腔长略有不同， 故其透射谱也不同 （自由光谱 FSR即相邻 谐振峰距离不同）。
图 11给出了实施例 4中参照环形谐振腔 10、 传感环形谐振腔 20各自的透 射谱 （a) 以及由式 （3 ) 计算的总透射谱 （b)。 如图 3 (b) 所示， 在 1550nm 波长， 两环都发生谐振， 所以总输出谱上达到最大， 为中心波长。
当传感环形谐振腔 20受到应力、温度变化等作用时其光学长度会 生变化， 或其包层物质有变化时， 由于包层内倏逝波的作用， 会引起传感环形谐振腔 20 波导模式有效折射率发生变化， 进而也引起光学长度变化。 据式 （4) 传感环形 谐振腔 20的透射谱 T2会发生移动。 如图 12所示： （a) 在 1550nm处， T1与 T2的谐振频率不再重合， 而是其相邻的峰发生重合， （b)表现在总透射谱 T上就 是包络发生了移动， 中心波长移动到了相邻的峰上。 由此可以看出， T2 移动 FSR. - FSR,，而 T总输出最大跳变到侧峰上变化了 ， 因此 T2的移动相当于被 放大了一个因子， I 这就是游标效应的放大作用。 FSR F 2 分别为 「 2 |
Tl， T2的自由光谱范围） 如果采用 LED 作为宽带光源 0， 其光谱曲线如图 13 所示， 中心波长在 1550nm， 恒定不变。 当 T2发生移动时总的透射射光谱 T包络发生移动， 其中 心峰值波长与光源中心波长 1550nm的距离发生变化，引起整个光谱围内的总 输 出光功率的变化。 所以， 可以通过测量整个光谱围内的总光功率的变化 来探测 被测变量或被测物质的变化。
针对前述 SOI波导结构的例子， TM和 TE模式有效折射率 ¾ 变化量相对于 包层折射率 n e 变化量的比值分别由式 （5 ) 和式 （6) 决定。 波导横截面由图 6 所示。 两环的半径取为 120um及 121.2um， 相差 1%; 环与直波导之间能量耦合 系数取 10 % ; 损耗设为 ldb/cm; LED光源能量设为 lmw。
图 14给出了被测物质折射率从 1.33变化到 1.33+2.44X10- 3 时， TM模总输 出光能量的变化， 以及被测物质折射率从 1.33变化到 1.33+7X10- 3 时， TE模总 输出光能量的变化。 由图可以看出， 随着被测物质折射率变化（T2移动）， 因为 总透射谱 T的包络中心波长与 LED光源中心波长逐渐错开， 总输出光能量逐渐 减小。 经计算 TM模最高灵敏度 （斜率最高） 达到 15400 dB/RIU, 与探测精度 为 O.OldB的探测器结合， 则可以探测的最小折射率变化为 6.5xl0— 7 ; TE模最高 灵敏度达到 4350 6^/R/t/， 与探测精度为 O.OldB的探测器结合， 则可以探测的 最小折射率变化为 2.3xl0- 6 。
TE, TM模式的探测灵敏度不同是由于它们各自的有 折射率^^变化相对 于包层折射率 变化的敏感度不同， 以及模式色散不同。 相比较而言 TM模灵 敏度高， 探测范围小； TE模灵敏度低， 探测范围大。 实际应用中， 可以用适当 的偏振分离器将 LED出射光的两个等功率偏振态分别送入两个独 立的级联环传 感器， 形成两个探测通道。 根据探测精度及范围要求可以选择不同的通道 ， 或 将两者结合同时达到高灵敏度和大测量范围。
实施例 5:
图 15是本发明实施例 5的结构示意图。 它包含宽带光源 0、 与宽带光源相 耦合的输入波导 1、 与输入波导相耦合的参照环形谐振腔 10、 与参照环形谐振 腔 10相耦合的连接波导 3， 与连接波导 3相耦合的传感环形谐振腔 20， 与传感 谐振腔 20相耦合的输出波导 2， 测输入波导 1另一端出射功率的光功率计 41， 测输出波导 2出射功率的光功率计 42，所述参照环形谐振腔 10与传感环形谐振 腔 20的光学长度不同， 所述的参照环形谐振腔 10的光学长度使得它的谐振频 率对应于一系列等间隔的工作频率， 所述传感环形谐振腔 20的光学长度使得当 它的一个谐振频率与参照环形谐振腔 10的一个谐振频率重合时其相邻的谐振峰 不完全重合； 传感环形谐振腔 20中至少有一部分波导 （例如取虚线框内） 受到 应力、 温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质 接触。 应力、 温度等被测 变量的影响作用会引起传感环形谐振腔 20的光学长度变化或者被测物质的折射 率等性质的变化通过倏逝波影响传感环形谐振 腔 20的光学长度， 引起其谐振峰 位置的变化； 通过级联双环的游标效应， 将传感环形腔谐振谱的移动放大为总 透射谱包络的移动， 使得总出射谱中心波长与光源中心波长的偏差 发生变化， 进而转化为透射总输出功率的变化， 从而通过利用光功率计 42探测输出波导 2 中光信号的强度信息就可以获得被测变量或被 测物质的折射率和浓度等信息。 光功率计 41的作用是探测输入波导 1直通端的功率（接近光源功率的恒定值）。 如果光源功率不稳定， 则可以通过光功率计 42与光功率计 41 的比值变化来测 量被测量， 以消除光源功率波动带来的误差。
图 15 中所有波导与环形谐振腔之间的耦合通过各自 的多模干涉耦合 器 51、 52、 53和 54实现。
上述实施例主要讨论了光波导和环型谐振腔是 基于平面光波导的情况。本发 明中所述的光波导和环型谐振腔也可以是基于 光纤或微纳光纤结构， 光纤环谐 振腔与输入 /输出及连接光纤之间的耦合可通过融接方法 倏逝波耦合的方法实 现。 用光纤结构具有对偏振非敏感的优点。
实施例 6：
本发明中的环型谐振腔是起到一个光学滤波器 的作用， 具有高品质因子 (Q 值)的优点， 但环型谐振腔可以由一个马赫 -曾德 (Mach-Zehnder)干涉仪、 阵列波 导光栅、布拉格光栅或法布里 -珀罗 (Fabry-Perot)干涉仪等滤波器来代替， 其中法 布里 -珀罗 (Fabry-Perot)干涉仪可以由两个布拉格光栅构成
如图 16所示， 本实施例基于宽带光源和级连光波导滤波器游 标效应的光传 感器包括宽带光源 0、 与宽带光源耦合的输入波导 1、 与输入波导相耦合的参照 光学滤波器 101、与参照光学滤波器 101 相耦合的连接波导 3， 与连接波导 3相 耦合的传感光学滤波器 102， 与传感光学滤波器 102相耦合的输出波导 2， 测输 出功率的光功率计 42， 所述的参照光学滤波器 101的透射频率对应于一系列等 间隔的工作频率， 所述传感光学滤波器 102 的一个透射频率与参照光学滤波器 的一个透射频率重合时， 其相邻的谐振峰不完全重合； 传感光学滤波器 102 中 至少有一部分波导受到应力、 温度等被测变量影响作用或其包层与被测物质 接 触。 应力、 温度等被测变量的影响作用或者被测物质的折 射率等性质的变化会 引起传感光学滤波器 102透射频率的变化； 通过两级连光学滤波器的游标效应 将此将传感光学滤波器透射频率的移动放大为 总透射谱包络的移动， 使得总透 射谱中心波长与光源中心波长的偏差发生变化 ， 进而转化为透射总输出功率的 变化， 从而通过利用功率计 42探测输出波导 2中光信号的强度信息就可以获得 被测变量或被测物质的折射率和浓度等信息。
所述的输入波导、 输出波导、 连接波导、 参照光学滤波器和传感光学滤波 器均是由光纤构成或由平面集成光波导构成。
所述的参照光学滤波器和传感光学滤波器是由 一个或多个马赫 -曾德干涉仪 构成； 或者是由阵列波导光栅构成； 或者是由法布里 -珀罗干涉仪构成。
上述实施例仅用来解释说明本发明， 而不是对本发明进行限制。例如， 本发 明中两个环形谐振腔的级连形式可以改为并联 形式， 即将参照环形谐振腔 10和 传感环形谐振腔 20分别放置在一个马赫 -曾德 (Mach-Zehnder)干涉仪的两臂上， 从而实现类似的功能。 在本发明的精神和权利要求的保护范围内， 对本发明作 出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范围。
Next Patent: LIQUID EMBOLIC MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF