[发明专利]一种基于宽带光源和级连光波导滤波器的光传感器

说明书

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 etal，“Silicon-on-Insulat or microring resonator for sensitive and label-freebiosensing”，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，其特征在于：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、与传感谐振腔相耦合的输出波导、与输入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。

所述所有波导及环形谐振腔是平面集成光波导。

所述所有波导及环形谐振腔是由光纤构成。

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：

其特征在于：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。

本发明具有的有益效果是：

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3.9×10^-7。

附图说明