光学标准具及其制备方法及在波长解调系统的应用与流程

1.本技术属于光学芯片技术领域，尤其是涉及一种测温光学标准具及其制备方法及在波长解调系统的应用。


背景技术：

2.光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感技术是以光波作为传感信息的载体，与电子测量技术中以传感元件电特性为基础的检测原理有很大区别。与传统电子类传感器只作为传感元件不同的是，光纤传感器具有“传”和“感”一体化的特点，由此具备传统传感器所不具备的诸多优点。
3.由于可调谐激光器的光功率波动性和稳定性、光路和电路的噪声等因素会影响用直接法求得的光纤光栅反射波长的解调精度和解调稳定性。因此，基于可调谐激光器的高速光纤光栅波长解调系统可以引入波长参考模块，来提高系统波长解调精度和稳定性。引入f-p标准具(法布里-珀罗标准具)模块的光纤光栅波长解调法系统可在一定波段范围内引入间隔均匀的多个波长参考点，在环境温度处于稳态情况下f-p标准具，能够对激光器的输出波长进行标定，从而降低解调波长的随机误差。
4.中国专利文献cn111024246a，发明名称为基于法珀标准具的测试波长温漂的补偿方法及装置中公开了在传感器上外壳上设置温度传感器来感应温度从而对测量的波长进行补偿，但是由于其测量的是传感器外壳的温度，其温度不能代表法珀标准具内部温度，因而，对于温度的测量准确性不高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种测温补偿精确度更高的测温光学标准具及其制备方法及在波长解调系统的应用。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种能够测温的光学标准具，包括：
8.硅基材料层，顶部和底部分别镀有光学薄膜层；
9.热敏电阻，位于硅基材料层中心，为环形；
10.定值电阻，为3个，围绕所述热敏电阻设置；
11.所述热敏电阻和定值电阻由溅射在光学薄膜层上的金属层形成，且热敏电阻与定值电阻形成环形电路，所述环形电路上具有供电节点和测电节点，供电节点接受外部供电后，所述环形电路形成并联的两条支路，两条支路分别为串联在一起的热敏电阻与其中一个定值电阻以及剩余两个的串联设置的定值电阻，测电节点位于热敏电阻与定值电阻或者定值电阻与定值电阻之间；
12.热敏电阻围成区域的硅基材料层及其顶部和底部的光学薄膜层形成法布里-珀罗干涉结构。
13.优选地，本发明的能够测温的光学标准具，所述热敏电阻为铂，定值电阻为镍铬合
金。
14.优选地，本发明的能够测温的光学标准具，所述热敏电阻以及定值电阻四周具有空腔。
15.优选地，本发明的能够测温的光学标准具，
16.所述定值电阻为长方形，围绕所述定值电阻四周的空腔为相互平行的长条状。
17.优选地，本发明的能够测温的光学标准具，所述光学薄膜层为多层介质膜，依次为tio2膜、sio2膜、tio2膜、sio2膜和tio2膜。
18.本技术还提供一种制备上述的光学标准具的方法，包括以下步骤：
19.s1：取一硅基材料层，在所述硅基材料层顶部和底部分别镀光学薄膜层形成法布里-珀罗干涉结构；
20.s2：在硅基材料层顶部的光学薄膜层上涂覆光刻胶形成光刻胶层，并形成图案，所述图案与热敏电阻及定值电阻对应；
21.s3：使用磁控溅射工艺在热敏电阻对应位置和定值电阻对应位置分别溅射金属；
22.s4：剥离溅射的金属层并去除光刻胶层，保留图案中的金属以形成热敏电阻和定值电阻；
23.s5：封装并通过金属导线使热敏电阻与定值电阻形成环形电路，所述环形电路上具有供电节点和测电节点，供电节点接受外部供电后，所述环形电路形成并联的两条支路，两条支路分别为串联在一起的热敏电阻与部分定值电阻以及剩余的串联设置的定值电阻，测电节点位于两条支路的中间处。
24.优选地，本发明的方法，在s2步骤后、s3步骤前，使用刻蚀工艺在所述热敏电阻以及定值电阻四周刻蚀形成空腔。
25.优选地，本发明的方法，所述光学薄膜层为多层介质膜，依次为tio2膜、sio2膜、tio2膜、sio2膜和tio2膜。
26.本技术还提供一种波长解调方法，使用上述的光学标准具，包括以下步骤：
27.使用特定波长的入射光线射入热敏电阻(2)所包围区域，并测量从光学标准具另一端射出的透射光谱的透射光谱图；
28.通过外部供电连接供电节点，并通过测电节点测量两个测电节点之间的电压，利用测得的电压、外部供电的电压、定值电阻的电阻值，热敏电阻的温度与电阻值特性，求出热敏电阻所包围区域的温度；
29.利用得到的温度建立测得波长与标准温度下的补偿波长的对应关系。
30.优选地，本发明的波长解调方法，
31.透射光谱的波长λ’的计算方法为：
[0032][0033]
n为硅基材料层(1)的折射率，l为硅基材料层(1)厚度，θ为入射角度，垂直入射时cosθ＝1，δ为相位差、通过测量透射光的衍射条纹的宽度得到；
[0034]
热敏电阻所包围区域的温度t的计算方法为：其中
r4为当前温度下的热敏电阻的电阻，r0是热敏电阻在t0温度下的电阻，α为热敏电阻所制备材料所决定的温度系数，r1、r2、r3分别是三个定值电阻，r3与热敏电阻处于同一支路，us为供电节点的供电电压，u0为测电节点处测量得到的电压；
[0035]
利用得到的温度建立测得波长与标准温度下的补偿波长的对应关系的方法为：温度补偿系数k为t’标准温度，λ’为同样的光线在t0温度下由通过所述光学标准具而测得的补偿波长。
[0036]
本发明的有益效果是：
[0037]
本发明的测温光学标准具属于具有测温功能的法布里-珀罗光学标准具，通过在法布里-珀罗光学标准具的基础上增加三个定值电阻和一个热敏电阻形成惠斯通电桥测温结构，并直接位于法布里-珀罗光学结构四周，直接测定法布里-珀罗光学结构的温度，并利用该温度可补偿测量得到的波长，具有测量结果准确的优点。
附图说明
[0038]
下面结合附图和实施例对本技术的技术方案进一步说明。
[0039]
图1是本技术实施例1的测温光学标准具的正视图；
[0040]
图2是本技术实施例1中具有空腔的测温光学标准具的正视图；
[0041]
图3是本技术实施例2的光学标准具的方法的流程图；
[0042]
图4是本技术实施例2的具有空腔的光学标准具的方法的流程图；
[0043]
图中的附图标记为：
[0044]1ꢀꢀ
硅基材料层；
[0045]2ꢀꢀ
热敏电阻；
[0046]3ꢀꢀ
定值电阻；
[0047]4ꢀꢀ
光学薄膜层；
[0048]5ꢀꢀ
光刻胶层；
[0049]6ꢀꢀ
金属层；
[0050]
41 扇形空腔；
[0051]
42 长条空腔；
[0052]
43 短条空腔。
具体实施方式
[0053]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0054]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本技术保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0056]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术的技术方案。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例提供一种测温光学标准具，如图1所示，包括：
[0059]
硅基材料层1，顶部和底部分别镀有光学薄膜层4；
[0060]
热敏电阻2，位于硅基材料层1中心，为环形，记为r1；
[0061]
定值电阻3，为3个(需要指出的是，可以实际多个物理电阻元件来等价形成三个定值电阻3)，围绕所述热敏电阻2设置；
[0062]
所述热敏电阻2和定值电阻3由溅射在光学薄膜层4上的金属层形成，且热敏电阻2与定值电阻3形成环形电路，所述环形电路上具有供电节点和测电节点，供电节点接受外部供电后，所述环形电路形成并联的两条支路，两条支路分别为串联在一起的热敏电阻2与其中一个定值电阻3以及剩余两个的串联设置的定值电阻3，测电节点位于热敏电阻2与定值电阻3或者定值电阻3与定值电阻3之间；节点可以是虚拟的，也可以是由金属薄膜形成的“物理实体点”；
[0063]
热敏电阻2围成区域的硅基材料层1及其顶部和底部的光学薄膜层4形成法布里-珀罗干涉结构(fabry-perot)，也即相关材料的厚度要符合法布里-珀罗干涉所需。
[0064]
本实施例的测温光学标准具属于具有测温功能的法布里-珀罗光学标准具，通过在法布里-珀罗光学标准具的基础上增加三个定值电阻3和一个热敏电阻2形成惠斯通电桥测温结构，并直接位于法布里-珀罗光学结构四周，直接测定法布里-珀罗光学结构的温度，并利用该温度可补偿测量得到的波长，具有测量结果准确的优点。
[0065]
进一步地，所述热敏电阻2为铂(具有热敏性)，定值电阻3为镍铬合金(也可以使用其它类似的温度对电阻影响小的材料)；
[0066]
进一步地，所述热敏电阻2以及定值电阻3四周具有空腔。如图3所示，热敏电阻2四周设置成环形排布的扇形空腔41，如图2所示。
[0067]
所述定值电阻3为长方形，围绕所述定值电阻3四周的空腔为相互平行的长条状。在定值电阻3长度方向上的两侧分别具有较长的长条空腔42，在宽度方向上两个长条空腔42之间具有平行的若干短条空腔43，以最大限度地包围热敏电阻2或定值电阻3，同时不影响整个热敏电阻2或定值电阻3设置位置处的强度，设置空腔能够隔绝热量，使热敏电阻2围成区域热量更少地传递到定值电阻3处。这里需要指出的是，不存在完全不受温度影响的材料，因此，定值电阻3的制备材料是温度对电阻值影响较小的材料制成的，因此也有必要降低温度传递到定值电阻3处。
[0068]
进一步地，所述光学薄膜层4为多层介质膜(又称高反膜)，依次为tio2膜、sio2膜、tio2膜、sio2膜和tio2膜。其中也可以使用sinx、ta2o5等材料。
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例提供一种制备实施例1的光学标准具的方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0071]
s1：取一硅基材料层1，在所述硅基材料层1顶部和底部分别镀光学薄膜层4形成法布里-珀罗干涉结构；
[0072]
s2：在硅基材料层1顶部的光学薄膜层4上涂覆光刻胶形成光刻胶层，并形成图案，所述图案与热敏电阻2及定值电阻3对应；
[0073]
s3：使用磁控溅射工艺在热敏电阻2对应位置和定值电阻3对应位置分别溅射金属形成金属层6；
[0074]
s4：减薄金属层6并去除光刻胶层5，保留图案中的金属以形成热敏电阻2和定值电阻3；
[0075]
s5：封装并通过金属导线使热敏电阻2与定值电阻3形成环形电路，所述环形电路上具有供电节点和测电节点，供电节点接受外部供电后，所述环形电路形成并联的两条支路，两条支路分别为串联在一起的热敏电阻2与部分定值电阻3以及剩余的串联设置的定值电阻3，测电节点位于两条支路的中间处。
[0076]
进一步地，在s2步骤后、s3步骤前，使用刻蚀工艺在所述热敏电阻2以及定值电阻3四周刻蚀形成空腔，如图4所示。空腔的具体形状如实施例1的空腔，这里不赘述。
[0077]
进一步地，所述光学薄膜层4为多层介质膜，依次为tio2膜、sio2膜、tio2膜、sio2膜和tio2膜。其中也可以使用sinx、ta2o5等材料。
[0078]
实施例3
[0079]
本实施例还提供一种波长解调方法，使用实施例1的光学标准具，包括以下步骤：
[0080]
使用特定波长的入射光线射入热敏电阻2所包围区域，并测量从光学标准具另一端射出的透射光谱的衍射条纹，并进一步测得透射光谱的波长；
[0081]
通过外部供电连接供电节点，并通过测电节点测量两个测电节点之间的电压，利用测得的电压、外部供电的电压、定值电阻3的电阻值，热敏电阻的温度与电阻值特性，求出热敏电阻2所包围区域的温度；
[0082]
利用得到的温度建立测得波长与标准温度下的补偿波长的对应关系。
[0083]
具体地，透射光谱的波长λ’的计算方法为：
[0084][0085]
n为硅基材料层1的折射率，l为硅基材料层1厚度，θ为入射角度，δ为相位差、通过测量透射光的衍射条纹的宽度得到，垂直入射时cosθ＝1；
[0086]
热敏电阻2所包围区域的温度t的计算方法为：其中r4为当前温度下的热敏电阻2的电阻，r0是热敏电阻2在t0温度下
的电阻，α为热敏电阻2所制备材料所决定的温度系数，r1、r2、r3分别是三个定值电阻3，r3与热敏电阻2处于同一支路，us为供电节点的供电电压，u0为测电节点处测量得到的电压；
[0087]
利用得到的温度对测量得到的透射光谱的波长进行补偿的方法为：待解调的入射光线t’为当前温度，k为比例系数，由试验标定得到。
[0088]
温度t的计算方法推导过程如下：如图1中具有三个定值电阻3，分别记为r1、r2、r3，收到供电电压us供电最终形成r1、r2和r3、r4两个半桥支路，测量支路之间的电压得到u0，根据以下公式：
[0089][0090]
变形一下可得，
[0091]
可以求得热敏电阻2的阻值，进而根据热敏电阻2的温度与电阻值的特性获得温度。
[0092]
r4＝r0[1+α(t-t0)]，公式3，其中α为热敏电阻2的制备材料所决定的温度系数，r0是热敏电阻2在t0温度下的电阻；
[0093]
将公式3变换一下，即可得到
[0094]
也即通过上述方法，可以建立起不同温度下，不同波长的光线在标准温度t’时对应的波长数值，从而避免温度对解调带来的影响。
[0095]
使用过程中，如果传感器在t温度下测得了光线的波长为λ，则需要将该波长转化为标准温度t0下的波长，记为λ’，以规避温度带来的影响。
[0096]
以上述依据本技术的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。