專利名稱：基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)傳感器，尤其涉及一種無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器。
背景技術(shù)：
光傳感技術(shù)作為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，在工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、食品安全和國家安全等方面有著十分重要的應(yīng)用。光傳感技術(shù)可解決電傳感技術(shù)存在的靈敏度低、易受干擾、感應(yīng)時(shí)間較長、檢測某些化學(xué)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(qiáng)、便于集成、可在線檢測的優(yōu)點(diǎn)，在傳感領(lǐng)域占有越來越重要的地位。光波導(dǎo)傳感器件的基本原理是基于光纖或平面波導(dǎo)的界面/表面所出現(xiàn)的倏逝波，由于倏逝波透出波導(dǎo)的表面(接觸待測物質(zhì))并會返回波導(dǎo)中，并影響波導(dǎo)中傳輸光的特性，因此探測波導(dǎo)中傳輸光的變化可實(shí)現(xiàn)光傳感。如圖 1 所示，K.De Vos 等人在文獻(xiàn)(“Silicon-on—Insulat or microring resonator for sensitive and label-free biosensing", Optics Express 15, PP. 7610-7615 (2007))中提出利用環(huán)形諧振器作為光波導(dǎo)傳感器的方案，環(huán)形諧振器是光諧振腔的一種，由于其具有比較尖銳的濾波譜線，用作傳感器靈敏度較高，因此受到了廣泛關(guān)注。該光波導(dǎo)傳感器包括一個(gè)單模激光器、一個(gè)具有周期性濾波譜的無源諧振腔和一個(gè)探測器。單模激光器和無源諧振腔之間以及無源諧振腔與探測器之間由波導(dǎo)連接。K. De Vos等人方案的缺點(diǎn)在于需要一個(gè)價(jià)格昂貴的光譜儀來測量透射峰的波長移動，其測量精度與光譜儀的精度直接相關(guān)。如果用測量透射峰附近某個(gè)固定波長光能量變化的方法，則需要一個(gè)窄線寬的單模激光器作為光源，而且激光器的波長要與諧振環(huán)的透射峰有精確的相對位置，而且要高度穩(wěn)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，本發(fā)明使用寬帶光源等低成本器件作為輸入光源，通過無源諧振腔和與之集成的光柵解復(fù)用器解復(fù)用器和探測器陣列來探測被測物質(zhì)，同時(shí)完成對其變化的測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，它包括一個(gè)寬帶光源、一個(gè)具有周期性濾波譜的無源諧振腔、一個(gè)將不同波長分開的光柵解復(fù)用器和一個(gè)探測器陣列；其中，所述光柵解復(fù)用器與探測器陣列中任意一個(gè)探測器組成一個(gè)帶通濾波器；所述寬帶光源、無源諧振腔和光柵解復(fù)用器依次通過波導(dǎo)連接，探測器陣列置于光柵解復(fù)用器的焦平面位置處。進(jìn)一步地，還包括一陣列波導(dǎo)，所述探測器陣列的任一探測器通過陣列波導(dǎo)的一個(gè)波導(dǎo)與光柵解復(fù)用器相連。進(jìn)一步地，所述無源諧振腔為環(huán)形諧振腔或法布里泊羅腔。進(jìn)一步地，所述光柵解復(fù)用器為階梯光柵或陣列波導(dǎo)光柵。本發(fā)明具有的有益效果是
采用低成本的寬帶光源作為輸入光源，并且無源諧振腔、光柵解復(fù)用器和探測器陣列直接可以完成被測物質(zhì)的信息獲取工作，無需外加高分辨率的光譜儀或高波長穩(wěn)定的單模激光器。大大降低了成本，并且更易于集成。


圖1為基于單個(gè)無源諧振腔的光波導(dǎo)傳感器示意圖2為本發(fā)明中基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為無源諧振腔光譜圖和光柵解復(fù)用器與各個(gè)探測器組成的帶通濾波器濾波光譜圖，圖中，(a)是被測物質(zhì)放入入傳感區(qū)21之前的濾波光譜圖，(b)是被測物質(zhì)放入傳感區(qū) 21之后的濾波光譜圖，(c)是被測物質(zhì)放入傳感區(qū)21之前，探測器陣列4的各個(gè)通道的功率分布圖，(d)是被測物質(zhì)放入傳感區(qū)21之后，探測器陣列4的各個(gè)通道的功率分布圖；實(shí)線為無源諧振腔的透射光譜示意圖，虛線為光柵解復(fù)用器與探測器陣列組成個(gè)各個(gè)通道的疊加光譜示意圖4為當(dāng)前通道編號和其相鄰兩通道功率比隨傳感區(qū)21折射率變化關(guān)系； 圖5為本發(fā)明中第二個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明中第三個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明中第四個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明中第五個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9為本發(fā)明中第六個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖中，寬帶光源1、無源諧振腔2、光柵解復(fù)用器3、探測器陣列4、陣列波導(dǎo)6、波導(dǎo)7、單模激光器8、傳感區(qū)21、探測器41、帶通濾波器51。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖2是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式示意圖。它包括一個(gè)寬帶光源1、一個(gè)具有周期性濾波譜的無源諧振腔2、一個(gè)將不同波長分開的光柵解復(fù)用器3和一個(gè)探測器陣列4。光柵解復(fù)用器3與探測器陣列4中任意一個(gè)探測器41組成一個(gè)帶通濾波器51。其中，寬帶光源1、無源諧振腔2和光柵解復(fù)用器3依次由波導(dǎo)7連接，探測器陣列4置于光柵解復(fù)用器 3的焦平面位置處。如圖3a所示，任意相鄰兩個(gè)探測器41所對應(yīng)的帶通濾波器51的中心頻率之差相等，設(shè)為fsp，無源諧振腔2具有一定的光學(xué)長度使得其所產(chǎn)生各級諧振頻率的間距(又稱為自由光譜范圍(Free Spectral Range或FSR))與相鄰探測器41對應(yīng)的帶通濾波器51中
心頻率的差值fsp有一定差異。如圖3c所示，當(dāng)無源諧振腔2的某一級諧振頻率正好與某一個(gè)帶通濾波器51的中心頻率相等時(shí)，由于fSD Φ FSR，無源諧振腔2的其他級次的諧振頻率就會偏離之相對應(yīng)的通道的中心頻率，從而導(dǎo)致其余通道接收到的光功率低于這一通道。我們稱接收到光功率最大的通道稱為當(dāng)前通道。如圖北所示，無源諧振腔2中存在一個(gè)折射率可以被被測物質(zhì)改變的傳感區(qū)21， 有被測物質(zhì)引起的傳感區(qū)21折射率的變化可引起無源諧振腔2光學(xué)長度的變化。使得無源諧振腔2產(chǎn)生的光譜發(fā)生移動。這就會使原本對準(zhǔn)的諧振頻率偏離與之對應(yīng)的通道的中心頻率，從而導(dǎo)致當(dāng)前通道發(fā)生變化，如圖3d所示。圖4給出了當(dāng)前通道編號隨著傳感區(qū)21折射率變化的關(guān)系，在該實(shí)例中，無源諧振腔2的自由光譜范圍FSR=125GHz，fsp=121. 875GHz，光柵解復(fù)用器共有40個(gè)通道。因此， 通過判斷當(dāng)前接收到最大功率的通道編號，就可以判斷出無源諧振腔2的光學(xué)長度，從而獲得傳感區(qū)21的折射率信息，進(jìn)而推知被測物質(zhì)的信息。在此例中，折射率測量的靈敏度為 5Χ1(Γ5。為進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，還可以通過比較與當(dāng)前通道相鄰的左右兩個(gè)通道的功率比來進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。假設(shè)當(dāng)前通道編號為j，則其相鄰兩通道的功率比可表示為 Ρ^/Ρμ。圖4也給出了
這個(gè)函數(shù)隨著傳感區(qū)21的折射率變化的關(guān)系，如果假設(shè)最小可分辨的功率比為0. 1，那么對折射率的分辨能力就可以提高5倍，達(dá)到1 X ΙΟ"50圖5分別給出了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方式示意圖。這個(gè)實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式不同之處在于在第二個(gè)實(shí)施方式中，光柵解復(fù)用器3和探測器陣列4之間由一個(gè)陣列波導(dǎo)6相連，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，加入波導(dǎo)之后，濾波通道由光柵解復(fù)用器3、探測器陣列4中的探測器41和陣列波導(dǎo)6中的一根波導(dǎo)61共同構(gòu)成，這樣有利于獲得更窄的濾波譜線，提高系統(tǒng)的靈敏度。圖6-9分別給出了本發(fā)明的第三到第六個(gè)實(shí)施方式示意圖。這些實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式不同之處在于在第三和第四個(gè)實(shí)施方式中，無源諧振腔2分別為法布里泊羅腔201和環(huán)形諧振腔202，在第五和第六個(gè)實(shí)施方式中，光柵解復(fù)用器3分別為階梯光柵 301和陣列波導(dǎo)光柵302。上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制。在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如無源諧振腔可以換做任何其他可以產(chǎn)生周期性濾波譜線的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如法布里泊羅標(biāo)準(zhǔn)具寸。
權(quán)利要求
1.一種基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，它包括一個(gè)寬帶光源(1)、一個(gè)具有周期性濾波譜的無源諧振腔(2)、一個(gè)將不同波長分開的光柵解復(fù)用器(3)和一個(gè)探測器陣列(4)等；其中，所述光柵解復(fù)用器(3)與探測器陣列(4)中任意一個(gè)探測器(41)組成一個(gè)帶通濾波器(51);所述寬帶光源(1)、無源諧振腔(2)和光柵解復(fù)用器(3)依次通過波導(dǎo)(7)連接，探測器陣列(4)置于光柵解復(fù)用器(3)的焦平面位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，還可以包括一陣列波導(dǎo)(6)，所述探測器陣列(4)的任一探測器(41)通過陣列波導(dǎo)(6) 的一個(gè)波導(dǎo)與光柵解復(fù)用器(3)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，所述無源諧振腔(2)可以為法布里泊羅腔(201)或環(huán)形諧振腔(202)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，所述光柵解復(fù)用器(3)可以為階梯光柵(301)或陣列波導(dǎo)光柵(302)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器，它包括一個(gè)寬帶光源、一個(gè)具有周期性濾波譜的無源諧振腔、一個(gè)將不同波長分開的光柵解復(fù)用器和一個(gè)探測器陣列；其中，所述光柵解復(fù)用器與探測器陣列中任意一個(gè)探測器組成一個(gè)帶通濾波器；所述寬帶光源、無源諧振腔和光柵解復(fù)用器依次通過波導(dǎo)連接，探測器陣列置于光柵解復(fù)用器的焦平面位置處本發(fā)明采用低成本的寬帶光源作為輸入光源，并且無源諧振腔、光柵解復(fù)用器和探測器陣列直接可以完成被測物質(zhì)的信息獲取工作，無需外加高分辨率的光譜儀或高波長穩(wěn)定的單模激光器。大大降低了成本，并且更易于集成。
文檔編號G01N21/41GK102419312SQ201110433800
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者何建軍, 李明宇, 王磊, 秦麗 申請人:浙江大學(xué)