[发明专利]一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器

权利要求书

1.一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，依次包括输入光波导(1)、3dB功分器(2)、两条非对称的马赫曾德干涉臂、合束器(10)以及输出光波导(11)；

所述的输入波导(1)与激光器光源或发光二极管光源相连；

光源信号经过输入光波导(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到两条非对称的马赫曾德干涉臂，而后通过合束器(10)进行干涉至输出光波导(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的两条非对称马赫曾德干涉臂由第一宽条形波导(3)、第一锥形波导twn(4)、窄条形波导(5)、第二锥形波导tns(6)、slot波导(7)、第三锥形波导tsw(8)、第二宽条形波导(9)依次连接而成。

3.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的3dB功分器(2)，合束器(10)为多模干涉结构、定向耦合器结构或者Y分支结构。

4.根据权利要求2所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的输入光波导(1)、第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)、第二宽条形波导(9)、输出光波导(11)均为单模传输平面集成光波导。

5.根据权利要求2或4所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的两条非对称马赫曾德干涉臂的第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)的长度均不相同，第二宽条形波导(9)的长度相同；两臂用于连接第一宽条形波导(3)与窄条形波导(5)的第一锥形波导twn(4)、用于连接窄条形波导(5)与slot波导(7)的第二锥形波导tns(6)、用于连接slot波导(7)与第二宽条形波导(9)的第三锥形波导tsw(8)的长度均相同，宽度与其两侧所连接的波导的宽度相同，以保证波导之间连续衔接，不发生错位；

所述的slot波导(7)中的模场与被测物质有很强接触，被测物质折射率的变化引起slot波导(7)中模场有效折射率的大量变化，导致马赫曾德干涉仪两臂的有效光学长度差发生大量变化，从而引起其干涉峰波长的大范围漂移，使得传感器具有高灵敏度。

6.根据权利要求5所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够控制马赫曾德干涉仪自由光谱范围FSR的大小，以满足测量范围的需求，两臂中三种波导的长度差满足下式：

式(1)中，λ为干涉峰值波长；ng_w,ng_n,ng_s为第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)中的模式群折射率；ΔL_w,ΔL_n,ΔL_s为马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)的长度差；

通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够使得干涉峰波长对温度的变化不敏感，两臂中三种波导的长度差满足下式：

式(2)中,T为温度；n_w,n_n,n_s为第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)中的模式有效折射率；

通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够使得马赫曾德干涉仪的自由光谱范围FSR随温度不发生变化，从而保证大带宽范围内的干涉峰波长对温度的变化不敏感，两臂中三种波导的长度差满足下式：

公式(1)、(2)和(3)中的ng_w,由第一宽条形波导(3)的结构参数决定；ng_n,由窄条形波导(5)的结构参数决定；ng_s,由slot波导(7)的结构参数决定；第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的结构参数根据需求选择，并通过电磁场仿真软件计算得到以上参数；通过公式(1)、(2)和(3)建立三个三元一次方程组，能够计算得到马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)的长度差ΔL_w，ΔL_n，ΔL_s。