一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器

1.本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器。


背景技术：

2.光学传感器具有尺寸小、响应时间短、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，是传感器的一个重要分支。其中，集成光波导传感器具有可批量生产、多通道复用、集成度高等优势，在生物分子检测、及时诊断、环境保护等领域引起广泛的关注和研究。当被测物理量发生变化时，其对应的吸收、散射、荧光等特性发生变化，从而引起波导中光模式有效折射率的变化，此折射率的变化可以通过谐振腔型(如微环、微盘、光子晶体等)或者干涉型(法布里－佩罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫曾德干涉仪等)光波导结构转化成光强或波长的变化来进行测量。
3.马赫曾德干涉仪作为一种常见的干涉型光波导结构，易于实现阵列化和多通道同时检测，而且它的两臂可以由多种不同结构的波导组成，通过设计这些波导的几何参数来控制两臂的相位差，从而可以实现多种功能，有很高的灵活性。传统的马赫曾德干涉仪传感器由对称或非对称的条形波导构成两臂，当外界环境如浓度、应力等发生变化时，引起两臂模式的有效折射率的变化，导致两臂相位差的变化，使得干涉波长漂移，从而达到检测外界环境变化的目的。对于条形波导而言，光模式基本分布于波导内部，与被测物质接触面积小，通常灵敏度较低。此外，这些传感器未考虑到本身的温度特性，外界热噪声也会使干涉波长产生漂移，降低了传感器本身的分辨率。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器。本发明的目的在于提出一种基于非对称马赫曾德干涉仪的高灵敏度传感器，并在大带宽范围内实现温度不敏感。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
6.一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，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)。
7.所述的输入波导(1)与激光器光源或发光二极管光源相连。
8.本发明的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)。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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：
[0015][0016]
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。
[0017]
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：
[0018][0019]
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。
[0020]
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：
[0021][0022]
公式(1)、(2)和(3)中的ng
w
,由第一宽条形波导(3)的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
n
,由窄条形波导(5)的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
s
,由slot波导(7)的结构参数(如波导高度、总宽度、波导间隙)决定。这些波导结构参数可根据需求选择，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
。
[0023]
本发明具有的有益的效果是：
[0024]
(1)采用slot波导(7)结构，增加模场与被测物质的接触反应，从而有效提高传感器灵敏度；
[0025]
(2)在马赫曾德干涉仪两臂引入第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)，并通过设计波导几何参数，实现干涉峰波长的温度不敏感，从而降低了热噪声，有利于提高传感器分辨率；
[0026]
(3)在马赫曾德干涉仪两臂引入第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)，并通过设计波导几何参数，实现自由光谱范围的温度不敏感，保证干涉波长在至少两个周期内对温度变化不敏感；
[0027]
(4)引入非对称马赫曾德干涉结构，利用两臂相位差随被测物质的变化进行测量，不需要第二次套刻，简化工艺，降低制作成本。
附图说明
[0028]
图1是本发明实施例传感器示意图；
[0029]
图中：输入光波导(1)、3db功分器(2)、第一宽条形波导(3)、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)、窄条形波导(5)、连接窄条形波导(5)与slot波导(7)的第二锥形波导tns(6)、slot波导(7)、连接slot波导(7)与第二宽条形波导(9)的第三锥形波导tsw(8)、第二宽条形波导(9)、合束器(10)、输出光波导(11)。
[0030]
图2是本发明实施例slot波导(7)中的光场模式分布图。
[0031]
图3是本发明实施例不同折射率下马赫曾德干涉仪的输出光谱。
[0032]
图4是马赫曾德干涉仪干涉峰波长随折射率变化关系图。
[0033]
图5是不同温度下马赫曾德干涉仪的输出光谱。
[0034]
图6是不同温度下马赫曾德干涉仪在1556.3nm附近的输出光谱放大图。
[0035]
图7是马赫曾德干涉仪在1500nm
‑
1600nm带宽内，干涉峰波长随温度变化关系图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0037]
如图1所示，一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，自左向右依次包括输入光波导1、3db功分器2、第一宽条形波导3、连接第一宽条形波导3与窄条形波导5的第一锥形波导twn4、窄条形波导5、连接窄条形波导5与slot波导7的第二锥形波导tns6、slot波导7、连接slot波导7与第二宽条形波导9的第三锥形波导tsw8、第二宽条形波导9、合束器10、输出光波导11。光源信号通过输入光波导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，所述两臂由长度不同的第一宽条形波导3、窄条形波导5、slot波导7以及长度相同的第二宽条形波导9组成，不同波导结构之间通过第一锥形波导twn4、第二锥形波导tns6、第三锥形波导tsw8连接，光场从两臂经过这些波导结构后相位被调制，而后通过合束器10进行干涉至输出光波导11。
[0038]
所述的输入波导1与激光器光源或发光二极管光源相连，光源可具有片上集成的
特点。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
所述的两臂第一宽条形波导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twn4、用于连接窄条形波导5与slot波导7的第二锥形波导tns6、用于连接slot波导7与第一宽条形波导3的第三锥形波导tsw8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。
[0042]
如图2所示，采用的slot波导7的模场基本分布于波导外，与被测物质直接接触,且接触面积很大,被测物质的变化引起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，实现高灵敏度的光传感器。
[0043]
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：
[0044][0045]
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。
[0046]
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：
[0047][0048]
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。
[0049]
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，可以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：
[0050][0051]
公式(1)、(2)和(3)中的ng
w
,由第一宽条形波导3的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
n
,由窄条形波导5的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
s
,由slot波导7的结构参数(如波导高度、总宽度、波导间隙)决定。这些波导
结构参数可根据需求选择，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
。
[0052]
实施例
[0053]
图示实例中，选用基于硅绝缘体(silicon on insulator,soi)材料的硅纳米线波导，其芯层为厚度220nm的硅材料，折射率为3.46，热光系数为1.86
×
10
‑4；下方衬底为厚度2μm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.45，热光系数为1
×
10
‑5；上包层为水，折射率为1.325，热光系数为
‑
1.2
×
10
‑4。选取te模式作为传感信息的载体。
[0054]
所述的3db功分器2、合束器10采用多模干涉结构，对应的宽度为4μm,长度为13.8μm。
[0055]
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。考虑到器件容差及单模传输条件，选取输入光波导1、第一宽条形波导3、第二宽条形波导9和输出光波导11的宽度为550nm,利用fde(mode solution,lumerical)计算得到对应波导中te模式的群折射率ng
w
为4.1715，为1.8703
×
10
‑4riu/℃，为
‑
0.388
×
10
‑7riu/(nm
×
℃)；选取窄条形波5的宽度为350nm,计算得到对应波导中te模式的群折射率ng
n
为4.5909，为1.459
×
10
‑4riu/℃，为
‑
2.9865
×
10
‑7riu/(nm
×
℃)；选取slot波导7中间的缝隙为240nm,总宽度为650nm,计算得到对应波导中te模式的群折射率ng
s
为2.0815,为
‑
0.4533
×
10
‑4riu/℃，为0.072
×
10
‑7riu/(nm
×
℃)，对应的截面及光场分布图如图2所示，光场基本分布于波导外，与被测物质直接接触；所述的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twn4、用于连接窄条形波导5与slot波导7的第二锥形波导tns6、用于连接slot波导7与第一宽条形波导3的第三锥形波导tsw8的长度均为5μm,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。
[0056]
所述的马赫曾德干涉仪的自由光谱范围fsr选为20nm，将上述不同波导计算得到的群折射率ng
w
,ng
n
,ng
s
；热光系数热光系数随波长的变化带入式(1)
‑
(3)，建立三个三元一次方程组，可以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
分别为11.2μm,4.23μm,44.588μm。
[0057]
在实际应用时，马赫曾德干涉仪与被测物质直接接触，当被测物质折射率发生变化时，引起两臂光程差的变化，从而使马赫曾德干涉仪输出峰值波长发生漂移。如图3所示，
根据上述确定的波导截面和长度参数，利用fde可以计算每种波导在不同折射率下的传输常数，结合传输矩阵法，计算得到不同折射率条件下马赫曾德干涉仪的输出干涉谱。图4提取出图3中不同折射率下的干涉峰值，并进行拟合，拟合结果呈现很好的线性度，且对应灵敏度高达340.9nm/riu。
[0058]
本发明结合式(2)和式(3)的约束条件对波导长度进行选择，保证了马赫曾德干涉仪共振波长和自由光谱范围随温度不发生变化，从而保证了大带宽范围内的共振波长的温度不敏感特性，降低了传感器的热噪声。如图5所示，根据上述确定的波导截面和长度参数，利用fde可以计算每种波导在不同温度下的传输常数，结合传输矩阵法，计算得到不同温度下马赫曾德干涉仪在1500nm
‑
1600nm带宽内的输出干涉谱，结果表明当温度变化50℃时，四组干涉峰波长的漂移量仍然很小。图6给出了在1556.3nm干涉峰附近输出光谱的细节放大图。图7提取出图5中不同温度下的干涉峰值，并进行拟合，拟合结果呈现很好的线性度，且在100nm带宽内的四组干涉峰波长的温度灵敏度均很低，其中在1514nm干涉峰附近的温度灵敏度为0.74pm/℃；在1535nm干涉峰附近的温度灵敏度为0.74pm/℃；在1556nm干涉峰附近的温度灵敏度为0.76pm/℃；在1577nm干涉峰附近的温度灵敏度为0.75pm/℃。
[0059]
在本实例中，马赫曾德干涉仪的折射率灵敏度为340.9nm/riu，自由光谱范围为20nm，则系统可测折射率变化范围为0.059；在1500nm
‑
1600nm带宽内最大温度灵敏度为0.76pm/℃，则1℃热噪声带来的折射率检测的误差仅为2.2
×
10
‑6riu。
[0060]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。