[發明專利]一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器的光傳感器

有效

• 申請號: 201010104762.8
• 申請日: 2010-01-29
• 公開（公告）號: CN101825480A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 何建軍;金磊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D5/34
• 分類號: G01D5/34;G01D5/353;G01L1/24;G01K11/32;G01N21/41;G02B6/26;G02B6/293
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及基于寬帶光源和級連光波導濾波器的光波導傳感器，尤其是涉及一種基于級連環形腔的光波導傳感器。

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-Insulat?or?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：

一種基于寬帶光源和級連光波導濾波器的光傳感器，其特征在于：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；所述參照環形諧振腔與傳感環形諧振腔的光學長度相同，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它的諧振頻率與參照環形諧振腔的諧振頻率一一對應重合；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。

所述的所有波導與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。

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：

其特征在于：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、光功率計；所述的參照光學濾波器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透射頻率與參照光學濾波器的透射頻率一一對應重合；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。

所述的所有波導及光學濾波器是由光纖構成或由平面集成光波導構成。

所述的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：

通過使用相同腔長的級聯雙環的濾波效應，將傳感環形腔諧振譜的移動轉變為總出射譜上所有峰值能量的同步變化，再通過測量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3.9×10^-7。

附圖說明