基于級聯光學諧振腔光學傳感器制造技術

本發明專利技術公開了一種基于級聯光學諧振腔光學傳感器，包括波長可調光源、輸入光柵、Y分支分束器、連接波導、表面開窗的傳感光學諧振腔、表面開窗的參考光學諧振腔、表面不開窗的參考光學諧振腔、輸出光柵和探測器；所述波長可調光源與輸入光柵連接；表面開窗的傳感諧振腔和表面開窗的參考諧振腔均與被測物質接觸。被測變量影響作用或被測物質變化引起傳感環形諧振腔諧振譜的移動。通過雙諧振腔的級聯輸出譜，可以探測傳感光學諧振腔諧振譜移動的自由光譜范圍的移動數量，從而在保證傳感器高靈敏度的同時，大大增加了級聯雙光學諧振腔傳感器的探測范圍。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光學傳感器，尤其涉及一種基于級聯光學諧振腔的大范圍光學傳感器。
技術介紹
光學傳感器因其在醫療診斷，藥物研發，環境監測，食品工業以及生化安全等領域的廣泛應用而取得了快速的發展。基于級聯光學的生物傳感器主要特點有超高的靈敏度，較強的抗電磁干擾能力，可多功能集成及具有高度靈活性等，具有潛在的巨大商業應用前景。其中倏逝波傳感器感器利用倏逝波與待測物相互作用來實現傳感的，即在光波導中傳輸的光，其光場不僅分布在波導芯層之中，亦在包層之中，當包層發生變化時，就會引起其中傳輸光的特性發生變化?；诃h形諧振腔的光學傳感器，由于光場在諧振腔中往返振蕩，增加了倏逝波與待測物質的相互作用距離，提高了傳感器的靈敏度，同時減小了傳感器的尺寸。其中級聯環形諧振腔光學傳感器，利用游標效應，可以很大地提高傳感器的靈敏度，同時降低了傳感器的成本。此類傳感器有一個特點，環形諧振腔的Q值決定了其測量的精度和靈敏度，Q值越高，其精度和靈敏度越高。為了提高諧振腔的Q值，一般可以用增加諧振腔長度和減少損耗的方法。減少損耗的方法較難實現，增加諧振腔長度的方法比較常用。但是諧振腔長度增加，傳感器測量的范圍就減小了，這樣就限制了這種傳感器的應用場景。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于級聯光學諧振腔的大范圍高靈敏度的光學傳感器。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于級聯光學諧振腔大范圍高靈敏度光傳感器，它包括波長可調光源、輸入光柵、Y分支分束器、四個連接波導、表面開窗的傳感光學諧振腔、表面開窗的參考光學諧振腔、表面不開窗的參考光學諧振腔、四個輸出光柵耦合器和四個探測器；所述波長可調光源與輸入光柵連接；所述輸入光柵與Y分支分束器的輸入端口連接；所述Y分支分束器的兩個輸出端口分別與第三連接波導和第四連接波導相連；第一連接波導和第二連接波導均與表面開窗的參考光學諧振腔耦合；第二連接波導和第三連接波導均與表面開窗的傳感光學諧振腔耦合；第三連接波導和第四連接波導均與表面不開窗的參考光學諧振腔耦合；第一連接波導、第一輸出光柵耦合
器、第一探測器依次連接，第二連接波導、第二輸出光柵耦合器、第二探測器依次連接，第三連接波導、第三輸出光柵耦合器、第三探測器依次連接，第四連接波導、第四輸出光柵耦合器、第四探測器依次連接。本專利技術具有的有益效果是：本專利技術將不開窗的參考光學諧振腔和開窗的傳感諧振腔級聯，可以形成游標效應，大大提高傳感器的靈敏度。將表面開窗的傳感光學諧振腔和另外一個表面開窗的參考諧振腔級聯，利用其諧振腔長度的不同，得到具有包絡的級聯諧振腔透射譜。由于這兩個諧振腔同時受到待測物質的影響，其透射譜包絡移動的速度與這兩個諧振腔單獨的透射譜移動速度相同。但是從單個諧振腔的移動并不能判斷其移動的大小是否超出了其自由光譜范圍，而級聯諧振腔透射譜具有包絡特征，通過這個特征可以判斷其移動是否超過了一個自由光譜范圍，并且可以判斷移動的自由光譜范圍數量。光學諧振腔可采用集成光波導器件，使傳感器體積更小，更加便攜，易于實現高通量、多參數測量；利用級聯的光學諧振腔大大提高了傳感器測量的范圍。附圖說明圖1為一種基于級聯光學諧振腔大范圍高靈敏度光學傳感器示意圖；圖2為所舉實例中，傳感諧振腔和參考諧振腔的諧振譜，以及這兩個諧振腔級聯之后總的輸出譜(T82)；圖3為所舉實例中，傳感諧振腔和參考諧振腔的諧振譜，以及這兩個諧振腔級聯之后總的輸出譜(T81)；圖4是所舉實例中窗口有效折射率由1.700(細線)變化為1.701(粗線)時，兩個輸出譜(T82和T81)的變化圖；圖5是所舉實例中窗口有效折射率由1.700(細線)變化為1.703(粗線)時，兩個輸出譜(T82和T81)的變化圖；圖6是第一探測器91和第二探測器92的光譜隨著波導有效折射率變化而移動的示意圖；圖中，波長可調光源1、輸入光柵2、Y分支分束器3、第一連接波導41、第二連接波導42、第三連接波導43、第四連接波導44、表面開窗的傳感光學諧振腔5、表面開窗的參考光學諧振腔6、表面不開窗的參考光學諧振腔7、第一輸出光柵耦合器81、第二輸出光柵耦合器82、第三輸出光柵耦合器83、第四輸出光柵耦合器84，第一探測器91、第二探測器92、第三探測器93、第四探測器94、窗口區10。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步的說明。如圖1所示，本專利技術一種基于級聯光學諧振腔大范圍高靈敏度光傳感器，包括波長可調光源1、輸入光柵2、Y分支分束器3、連接波導41‐44、表面開窗的傳感光學諧振腔5、表面開窗的參考光學諧振腔6、表面不開窗的參考光學諧振腔7、輸出光柵耦合器81‐84和探測器91‐94；所述波長可調光源1與輸入光柵2連接；所述輸入光柵2與Y分支分束器3的輸入端口31連接；所述Y分支分束器3的兩個輸出端口32、33分別與第三連接波導43和第四連接波導44相連。第一連接波導41和第二連接波導42均與表面開窗的參考光學諧振腔6耦合；第二連接波導42和第三連接波導43均與表面開窗的傳感光學諧振腔5耦合；第三連接波導43和第四連接波導44均與表面不開窗的參考光學諧振腔7耦合；第一連接波導41、第一輸出光柵耦合器81、第一探測器91依次連接，第二連接波導42、第二輸出光柵耦合器82、第二探測器92依次連接，第三連接波導43、第三輸出光柵耦合器83、第三探測器93依次連接，第四連接波導44、第四輸出光柵耦合器84、第四探測器94依次連接。表面開窗的傳感諧振腔5和表面開窗的參考光學諧振腔6在窗口區10與被測物質接觸。不開窗的參考光學諧振腔7和開窗的傳感諧振腔5通過第三連接波導43級聯，可以形成游標效應，大大提高傳感器的靈敏度。表面開窗的傳感光學諧振腔5和表面開窗的參考諧振腔6過第二連接波導42級聯，其級聯諧振腔透射譜具有包絡特征，通過這個特征可以判斷其移動是否超過了一個自由光譜范圍，并且可以判斷移動的自由光譜范圍數量，從而成倍地拓寬了傳統雙環的測量范圍。拓寬的倍數由表面開窗的傳感光學諧振腔5和表面開窗的參考諧振腔6的自由光譜范圍之差決定，通過選擇恰當的自由光譜范圍，可以獲得很大的拓寬倍數。所述表面開窗的傳感光學諧振腔5、表面開窗的參考光學諧振腔6、表面不開窗的參考光學諧振腔7均具有周期濾波特性的結構；如法布里泊羅腔或者環形諧振腔。所述表面開窗的傳感光學諧振腔5、表面開窗的參考光學諧振腔6、表面不開窗的參考光學諧振腔7可由平面集成光波導、分立光學元件或者光纖構成。本實例中選擇的波長可調光源1作為入射光源，其中心波長在1550nm附近。采用平面集成光波導中的環形諧振腔作為傳感器的光學諧振腔。設計選擇SOI(silicon‐on‐insulator)材料，上包層材料為SU8，開窗區域波導TM模式有效折射率為1.700，不開窗區域波導有效折射率為1.7708。波長可調光源1發出的光通過輸入光柵2進入光路，在Y分支分束器3處分為兩路。一路(通路1)經過
表面不開窗的參考光學諧振腔7和表面開窗的傳感光學諧振腔5，由第二輸出光柵耦合器82和第四輸出光柵耦合器84耦合到第二探測器92和第四94探測器中探測接收。另一路(通路2)經過表面開窗的傳感光學諧振腔5和表面開窗的參考諧振腔6，由第本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于級聯光學諧振腔大范圍高靈敏度光傳感器，其特征在于，它包括波長可調光源(1)、輸入光柵(2)、Y分支分束器(3)、連接波導(41‐44)、表面開窗的傳感光學諧振腔(5)、表面開窗的參考光學諧振腔(6)、表面不開窗的參考光學諧振腔(7)、輸出光柵耦合器(81‐84)和探測器(91‐94)等；所述波長可調光源(1)與輸入光柵(2)連接；所述輸入光柵(2)與Y分支分束器(3)的輸入端口(31)連接；所述Y分支分束器(3)的兩個輸出端口(32、33)分別與第三連接波導(43)和第四連接波導(44)相連；第一連接波導(41)和第二連接波導(42)均與表面開窗的參考光學諧振腔(6)耦合；第二連接波導(42)和第三連接波導(43)均與表面開窗的傳感光學諧振腔(5)耦合；第三連接波導(43)和第四連接波導(44)均與表面不開窗的參考光學諧振腔(7)耦合；第一連接波導(41)、第一輸出光柵耦合器(81)、第一探測器(91)依次連接，第二連接波導(42)、第二輸出光柵耦合器(82)、第二探測器(92)依次連接，第三連接波導(43)、第三輸出光柵耦合器(83)、第三探測器(93)依次連接，第四連接波導(44)、第四輸出光柵耦合器(84)、第四探測器(94)依次連接。...

【技術特征摘要】
1.一種基于級聯光學諧振腔大范圍高靈敏度光傳感器，其特征在于，它包括波長可調光源(1)、輸入光柵(2)、Y分支分束器(3)、連接波導(41‐44)、表面開窗的傳感光學諧振腔(5)、表面開窗的參考光學諧振腔(6)、表面不開窗的參考光學諧振腔(7)、輸出光柵耦合器(81‐84)和探測器(91‐94)等；所述波長可調光源(1)與輸入光柵(2)連接；所述輸入光柵(2)與Y分支分束器(3)的輸入端口(31)連接；所述Y分支分束器(3)的兩個輸出端口(32、33)分別與第三連接波導(43)和第四連接波導(44)相連；第一連接波導(41)和第二連接波導(42)均與表面開窗的參考光學諧振腔(6)耦合；第二連接波導(42)和第三連接波導(43)均與表面開窗的傳感光學諧振腔(5)耦合；第三連接波導(43)和第四連接波導(44)均與表面不開窗的參考光學諧振腔(7)耦合；第一連接波導(41)、第一輸出光柵耦合器(81)、第一探測器(91)依...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉勇，李明宇，岳永恒，李洋，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33