一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器的制作方法

本实用新型涉及一种光学传感器，尤其涉及一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器。

背景技术：

生物技术、信息技术、先进制造技术等在国家中长期科学技术规划中被列入重点发展的前沿技术领域。本实用新型所提出的集成光波导传感器，正是立足以上三种技术基础之上，在生物医学、化学传感、农药检测、食品安全以及当前热门的芯片实验室领域都有着广泛应用前景。利用这一特点制成的便携式平面光波导光学传感器不但具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，而且容易实现小型化、阵列化。更为重要的是，它与现有的光纤通信系统和通信技术兼容，符合信息技术发展的大趋势，非常适用于安全监管系统的实时探测，以及食品检测、工业和医学等诸多领域。

双环级联谐振腔的光学传感器利用游标效应，可以大大增加传感器的灵敏度。但是这种传感器需要测试透射光谱，对光谱包络进行曲线拟合，从而确定光谱包络峰值的移动位置。测试光谱需要高精度的光谱仪，或者可调激光器。这些仪器体积庞大，不能单片集成。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器，包括宽带光源、输入直波导、耦合直波导、第一形环谐振腔、第二环形谐振腔、第二探测器、第三探测器和傅里叶变换光谱仪；所述输入直波导的输入端与宽带光源相连；所述宽带光源发出的光经过输入直波导与第一环形谐振腔相耦合；所述第一环形谐振腔通过耦合直波导与所述第二环形谐振腔级联；所述耦合直波导的输出端与第二探测器相连；

所述第一环形谐振腔波导表面有上包层，不与被测液体接触，是参考环形谐振腔；所述第二环形谐振腔波导表面与被测液体接触，是传感环形谐振腔；所述参考环形谐振腔旁边具有第一加热电极；

所述傅里叶变换光谱仪采用马赫-曾德尔干涉仪构成，其输入端与第二环形谐振腔的下载端相连，其输出端与第三探测器相连；所述马赫-曾德尔干涉仪的第一个臂无加热电极，第二个臂具有第二加热电极。

进一步地，所述第一加热电极和第二加热电极均为金属电极。

进一步地，还包括与输入直波导的输出端相连的第一探测器。

进一步地，第一加热电极不加电流时，第一形环谐振腔和第二环形谐振腔的光学长度不相同，且在宽带光源的光谱范围内至少有一个相同的谐振频率。第二加热电极不加电流时，第一个臂和第二个臂的光学长度相同。

本实用新型具有的有益效果是：本实用新型的光源采用低成本的宽带光源，大大降低传感器的制作成本；双环级联传感器利用游标效应，大大提高传感器的灵敏度；单片集成了芯片光谱仪，大大减小了传感器的体积，增加了传感器的便携性；利用芯片光谱仪分辨率不高的特点，实现了对双环级联传感器透射谱包络的检测，从而不再需要透射谱曲线包络拟合的复杂测试数据处理过程。

附图说明

图1为一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器结构示意图；

图2为不同盐水浓度下级联双环的透射光谱图；

图3为两种不同盐水浓度下，第二加热电极的电流变化时，傅里叶变换光谱仪输出的相对功率示意图；

图4为两种不同盐水浓度下，傅里叶变换光谱仪还原的双环级联传感器透射光谱包络示意图；

图中，宽带光源1、输入直波导2、第一形环谐振腔41、第二环形谐振腔42、第一探测器31、第二探测器32、第三探测器33、第一加热电极51、第二加热电极52、耦合直波导6、被测液体7、傅里叶变换光谱仪8、输入端81、第一个臂82、第二个臂83、输出端84。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器，包括宽带光源1、输入直波导2、耦合直波导6、第一形环谐振腔41、第二环形谐振腔42、第二探测器32、第三探测器33和傅里叶变换光谱仪8；

所述输入直波导2的输入端与宽带光源1相连，输出端与第一探测器31相连，通过第一探测器31监控宽带光源1的输入光强度稳定性；所述宽带光源1发出的光经过输入直波导2与第一环形谐振腔41相耦合；所述第一环形谐振腔41通过耦合直波导6与所述第二环形谐振腔42级联；所述耦合直波导6的输出端与第二探测器32相连；

所述第一环形谐振腔41波导表面有上包层，不与被测液体7接触，是参考环形谐振腔；所述第二环形谐振腔42波导表面与被测液体7接触，是传感环形谐振腔；所述参考环形谐振腔旁边具有第一加热电极51；第一加热电极51不加电流时，所述第一形环谐振腔41和第二环形谐振腔42的光学长度不相同，且在宽带光源1的光谱范围内至少有一个相同的谐振频率；通过调节加载在第一加热电极51上的电流大小，调整两个形环谐振腔的自由光谱范围的差值，使得级联双环的透射谱包络周期小于傅里叶变换光谱仪8的测量范围；通过第二探测器32监控耦合到第二环形谐振腔42的光强，光强最小时进入第二环形谐振腔42的光强最大；

所述傅里叶变换光谱仪8采用马赫-曾德尔干涉仪构成，其输入端81与第二环形谐振腔42的下载端相连，其输出端84与第三探测器33相连；所述马赫-曾德尔干涉仪的第一个臂82无加热电极，第二个臂83具有第二加热电极52；第二加热电极52不加电流时，所述第一个臂82和第二个臂83的光学长度相同；通过调节加载在第二加热电极52上的电流大小，调整两个臂的光程差，通过第三探测器33接收到不同光程差的光强，通过傅里叶变换还原级联双环的透射谱包络，利用包络峰值位置的变化信息，得到被测液体7的折射率变化。

本实例中采用SOI平台制作传感器芯片，波导结构对于TM模式有效折射率为1.81，两个环的半径分别为127nm和130nm。通过改变加载在第一加热电极51上的电流大小，使得级联双环的透射谱包络周期60nm小于傅里叶光谱仪的测量范围。改变被测液体7的折射率，会影响第二传感环形谐振腔42的波导有效折射率。不同有效折射率下，双环透射光谱曲线如图2所示。本实例中假设通过第二加热电极52的电流变化，可使傅里叶变换光谱仪有16个不同的光程差，对应的波长分辨率只有10nm，测量范围为230nm。图3是第二环形谐振腔42不同有效折射率下，第三探测器33接收到的功率值随光程差的变化。图4是根据图3的仿真数据，恢复的两种不同有效折射率下，级联双环谐振腔的透射谱线，从图4可见，可以恢复图1的透射率曲线包络，从恢复的谱线上可以判断透射谱包络峰值的移动位置，从而得到被测液体7的折射率变化信息。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制。在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。