專利名稱：基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，特別涉及一種基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感裝置。
背景技術(shù)：
在溫度傳感領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活主要采用接觸式電傳感器進(jìn)行溫度傳感， 如熱電偶、熱電阻等，但這些技術(shù)很難在高溫、高壓、高濕、高電磁干擾等惡劣環(huán)境中得到應(yīng) 用。同時在高溫高濕或高腐蝕環(huán)境中，電傳感本身會迅速老化損壞而根本無法對溫度進(jìn)行 測量?；诠饫w的高穩(wěn)定性及耐高溫、高壓、高濕、強(qiáng)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開發(fā)出多種光纖 溫度傳感裝置如布里淵散射溫度傳感器、拉曼散射溫度傳感器等。與光纖相比，硅基光波導(dǎo) 本身固有耐高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可同樣應(yīng)用于惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對 溫度的測量。馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)作為光信號處理領(lǐng)域的基本結(jié)構(gòu)，已廣泛地應(yīng)用在各種調(diào)制器 和濾波器中。基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)所構(gòu)成的梳狀濾波器，因其透射光譜隨 溫度的漂移特性可應(yīng)用于溫度傳感領(lǐng)域。在如圖2所示的典型馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)濾波器中，主要由分光比均為3dB的Y型 光波導(dǎo)構(gòu)成，兩干涉臂的長度分別SLpL2，其臂長差A(yù)L= I L1-L2I,則該濾波器的透射光 強(qiáng)P可表示為<formula>formula see original document page 3</formula>其中η為傳輸介質(zhì)折射率，λ為入射光波的波長。由上式可以看出，該濾波器的
透射光譜是與傳輸介質(zhì)的折射率η、兩干涉臂臂長差A(yù)L有關(guān)的梳狀光譜，如圖3所示，其復(fù)
用波長間隔Δ λ、復(fù)用頻率間隔Af可分別表示為 ；2<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula>其中c為真空中光速。對于固定波長的入射光波，其透射光強(qiáng)僅與傳輸介質(zhì)的折 射率η和馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的兩干涉臂臂長差A(yù)L有關(guān)?；诠杌獠▽?dǎo)折射率的溫度敏 感特性，可使得濾波器的透射光譜發(fā)生漂移，濾波器的透射光強(qiáng)也將隨之變化，本發(fā)明即利 用上述原理設(shè)計了一種基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器， 能夠精確測量待測環(huán)境溫度，抗干擾能力強(qiáng)，適用于惡劣的環(huán)境和大范圍的溫度測量。本發(fā)明提供一種基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，是利用其透射 光譜對溫度的敏感性來實(shí)現(xiàn)對溫度的傳感，包括
一激光器；一 Y型波導(dǎo)，該Y型波導(dǎo)的一端為入射波導(dǎo)，入射波導(dǎo)的一端有一第一正錐，該Y 型波導(dǎo)的第一正錐通過光纖與激光器連接；該Y型波導(dǎo)的另兩端分為參考臂波導(dǎo)和傳感臂波導(dǎo)；該Y型波導(dǎo)的參考臂波導(dǎo)的一端有一第二正錐；
該Y型波導(dǎo)的傳感臂波導(dǎo)的一端有一第三正錐；一第一功率計，該第一功率計通過光纖與參考臂波導(dǎo)的第二正錐連接；一馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該馬赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)接入傳感臂波導(dǎo)的中間；一第二功率計，該第二功率計通過光纖與傳感臂波導(dǎo)的第三正錐連接。其中所采用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的單模激光器。其中所述的第一正錐、第二正錐和第三正錐為正錐結(jié)構(gòu)或倒錐結(jié)構(gòu)。其中Y型波導(dǎo)的分光比為3dB。其中馬赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩臂長差為厘米量級。其中第一功率計和第二功率計采用光功率計或光探測器。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是利用硅基光波導(dǎo)的馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu) 濾波器的透射光譜對溫度的敏感性來實(shí)現(xiàn)對溫度的傳感，具有技術(shù)成熟、靈敏度高、選擇性 高、使用范圍廣、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。同時通過傳感臂與參考臂出射光功率的比值來反映因溫度 變化造成的透射光強(qiáng)的改變，增加了器件的抗干擾能力。通過入射光波長來選擇入射光波 的偏置點(diǎn)，可增加傳感器的敏感程度。由于該傳感器的核心傳感結(jié)構(gòu)由硅基光波導(dǎo)構(gòu)成，穩(wěn) 定度很高，可適用于惡劣的環(huán)境和大范圍的溫度測量。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明詳細(xì)說明 如后，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是采用3dB Y型光波導(dǎo)構(gòu)成的典型馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)濾波器示意圖。圖3是圖2中所示濾波器的梳狀透射光譜。圖4是透射光波功率隨溫度的變化情況示意圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感 器，其是利用其透射光譜對溫度的敏感性來實(shí)現(xiàn)對溫度的傳感，主要包括激光器1，Y型波 導(dǎo)2，第一功率計3，馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，第二功率計5等。所采用的激光器1可以是DFB激光器或DBR激光器等單模激光器。分光比為3dB 的Y型波導(dǎo)2的一端為入射波導(dǎo)21用以導(dǎo)入激光器1的入射光波，入射波導(dǎo)21的一端有 第一正錐211，該Y型波導(dǎo)2的第一正錐211通過光纖與激光器1連接以實(shí)現(xiàn)良好的耦合效率。該Y型波導(dǎo)2的另兩端分為參考臂波導(dǎo)22和傳感臂波導(dǎo)23將入射光波分為等強(qiáng) 度的兩部分。該參考臂波導(dǎo)22與傳感臂波導(dǎo)23之間的距離應(yīng)該盡量小，則其他外部干擾和振動會同時作用在參考臂波導(dǎo)22和傳感臂波導(dǎo)23上，引起相同的相位差，可大大提高了 器件的抗干擾能力。該Y型波導(dǎo)2的參考臂波導(dǎo)22的一端有第二正錐221，傳感臂波導(dǎo)23 的一端有第三正錐231。上述的第一正錐211、第二正錐221和第三正錐231也可采用倒錐 結(jié)構(gòu)來增加波導(dǎo)與光纖間的耦合效率(本發(fā)明的實(shí)施例中的第一正錐211、第二正錐221和 第三正錐231采用的是正錐結(jié)構(gòu))。第一功率計3通過光纖與參考臂波導(dǎo)22的第二正錐221連接，以探測參考臂波導(dǎo) 22的誘射光強(qiáng)，來監(jiān)測丨激光器1 m射的光功率的奪化。
傳感臂波導(dǎo)23將入射光波耦合進(jìn)馬赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，該馬赫-曾德爾波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)4的兩臂長差為厘米量級并保持為常數(shù)。對于波長固定的入射光波，其透射光強(qiáng)將僅 由硅基光波導(dǎo)的折射率決定。如圖4所示，入射光波的波長為λ ^，當(dāng)溫度為T1時，硅基光 波導(dǎo)的折射率為H1，馬赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的透射光譜如圖4中實(shí)線所示，其透射的光功 率為P1 ；當(dāng)溫度變化為T2時，基于硅基光波導(dǎo)折射率的溫度敏感性，其折射率變化為Ii2，馬 赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的透射光譜將發(fā)生漂移，如圖4中的虛線所示，此時透射的光功率為 P2,因此可以通過監(jiān)測馬赫_曾德爾濾波器的透射光功率來反映溫度的變化。馬赫-曾德 爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4對入射光波進(jìn)行濾波后，通過第三正錐231將光波耦合進(jìn)光纖。第二功率計5通過光纖與傳感臂波導(dǎo)23的第三正錐231連接，并測得經(jīng)濾波后的 傳感臂波導(dǎo)23的透射光強(qiáng)。通過第一功率計3和第二功率計5測得的透射光強(qiáng)的比值來 反映環(huán)境溫度的變化，同時克服了激光器1自身功率抖動的影響。在整個裝置中通過調(diào)節(jié) 激光器1的偏置電流調(diào)節(jié)激光器1的入射波長以選擇合適的波長偏置點(diǎn)，可增加傳感器對 溫度的敏感程度。上述的第一功率計3和第二功率計5也可采用光探測器等。對于分光比為3dB的馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，其透射光強(qiáng)為
<formula>formula see original document page 5</formula>其光功率變化為
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對于硅基光波導(dǎo)，紅外波段光波的折射率和溫度T基本滿足如下關(guān)系<formula>formula see original document page 5</formula>
上式即為光功率的相對變化量與溫度的變化關(guān)系，測得第一功率計3和第二功 率計5光強(qiáng)的相對變化量可實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。同時由于硅基光波導(dǎo)熱脹冷縮導(dǎo)致的馬 赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4兩臂長差的變化，可造成馬赫_曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的透射光譜朝相 同方向漂移，增加了該傳感器的靈敏度。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán) 利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，是利用其透射光譜對溫度的敏感性來實(shí)現(xiàn)對溫度的傳感，包括一激光器；一Y型波導(dǎo)，該Y型波導(dǎo)的一端為入射波導(dǎo)，入射波導(dǎo)的一端有一第一正錐，該Y型波導(dǎo)的第一正錐通過光纖與激光器連接；該Y型波導(dǎo)的另兩端分為參考臂波導(dǎo)和傳感臂波導(dǎo)；該Y型波導(dǎo)的參考臂波導(dǎo)的一端有一第二正錐；該Y型波導(dǎo)的傳感臂波導(dǎo)的一端有一第三正錐；一第一功率計，該第一功率計通過光纖與參考臂波導(dǎo)的第二正錐連接；一馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)接入傳感臂波導(dǎo)的中間；一第二功率計，該第二功率計通過光纖與傳感臂波導(dǎo)的第三正錐連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，其中所采 用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的單模激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，其中所述 的第一正錐、第二正錐和第三正錐為正錐結(jié)構(gòu)或倒錐結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，其中Y型 波導(dǎo)的分光比為3dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，其中馬 赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩臂長差為厘米量級。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，其中第一 功率計和第二功率計采用光功率計或光探測器。
全文摘要
一種基于馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)溫度傳感器，是利用其透射光譜對溫度的敏感性來實(shí)現(xiàn)對溫度的傳感，包括一激光器；一Y型波導(dǎo)，該Y型波導(dǎo)的一端為入射波導(dǎo)，入射波導(dǎo)的一端有一第一正錐，該Y型波導(dǎo)的第一正錐通過光纖與激光器連接；該Y型波導(dǎo)的另兩端分為參考臂波導(dǎo)和傳感臂波導(dǎo)；該Y型波導(dǎo)的參考臂波導(dǎo)的一端有一第二正錐；該Y型波導(dǎo)的傳感臂波導(dǎo)的一端有一第三正錐；一第一功率計，該第一功率計通過光纖與參考臂波導(dǎo)的第二正錐連接；一馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該馬赫-曾德爾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)接入傳感臂波導(dǎo)的中間；一第二功率計，該第二功率計通過光纖與傳感臂波導(dǎo)的第三正錐連接。
文檔編號G01K11/32GK101799334SQ20101011775
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者孫可, 張紅廣, 滿江偉, 祝寧華, 謝亮, 陳偉, 韓威 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所