CN101799334A - 基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括：一激光器；一Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；一马赫-曾德尔波导结构，该马赫-曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。

Description

基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器

技术领域

本发明涉及一种硅基光波导温度传感器，特别涉及一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感装置。

背景技术

在温度传感领域，工业生产和日常生活主要采用接触式电传感器进行温度传感，如热电偶、热电阻等，但这些技术很难在高温、高压、高湿、高电磁干扰等恶劣环境中得到应用。同时在高温高湿或高腐蚀环境中，电传感本身会迅速老化损坏而根本无法对温度进行测量。基于光纤的高稳定性及耐高温、高压、高湿、强电磁干扰等优点，已经开发出多种光纤温度传感装置如布里渊散射温度传感器、拉曼散射温度传感器等。与光纤相比，硅基光波导本身固有耐高温、高压、强腐蚀性和抗干扰能力强等优点，可同样应用于恶劣环境中实现对温度的测量。

马赫-曾德尔结构作为光信号处理领域的基本结构，已广泛地应用在各种调制器和滤波器中。基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导所构成的梳状滤波器，因其透射光谱随温度的漂移特性可应用于温度传感领域。

在如图2所示的典型马赫-曾德尔结构滤波器中，主要由分光比均为3dB的Y型光波导构成，两干涉臂的长度分别为L₁、L₂，其臂长差ΔL＝|L₁-L₂|，则该滤波器的透射光强P可表示为

$P\∝{\sin }^2\frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔL}$

其中n为传输介质折射率，λ为入射光波的波长。由上式可以看出，该滤波器的透射光谱是与传输介质的折射率n、两干涉臂臂长差ΔL有关的梳状光谱，如图3所示，其复用波长间隔Δλ、复用频率间隔Δf可分别表示为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{n\ΔL}}$

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{\mathrm{n\ΔL}}$

其中c为真空中光速。对于固定波长的入射光波，其透射光强仅与传输介质的折射率n和马赫-曾德尔结构的两干涉臂臂长差ΔL有关。基于硅基光波导折射率的温度敏感特性，可使得滤波器的透射光谱发生漂移，滤波器的透射光强也将随之变化，本发明即利用上述原理设计了一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，能够精确测量待测环境温度，抗干扰能力强，适用于恶劣的环境和大范围的温度测量。

本发明提供一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括：

一激光器；

一Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；

该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；

该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；

该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；

一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；

一马赫-曾德尔波导结构，该马赫-曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；

一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。

其中所采用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的单模激光器。

其中所述的第一正锥、第二正锥和第三正锥为正锥结构或倒锥结构。

其中Y型波导的分光比为3dB。

其中马赫-曾德尔波导结构的两臂长差为厘米量级。

其中第一功率计和第二功率计采用光功率计或光探测器。

本发明与现有的技术相比具有的优点是：利用硅基光波导的马赫-曾德尔结构滤波器的透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，具有技术成熟、灵敏度高、选择性高、使用范围广、尺寸小等优点。同时通过传感臂与参考臂出射光功率的比值来反映因温度变化造成的透射光强的改变，增加了器件的抗干扰能力。通过入射光波长来选择入射光波的偏置点，可增加传感器的敏感程度。由于该传感器的核心传感结构由硅基光波导构成，稳定度很高，可适用于恶劣的环境和大范围的温度测量。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合附图和实施例对本发明详细说明如后，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是采用3dB Y型光波导构成的典型马赫-曾德尔结构滤波器示意图。

图3是图2中所示滤波器的梳状透射光谱。

图4是透射光波功率随温度的变化情况示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，主要包括：激光器1，Y型波导2，第一功率计3，马赫-曾德尔波导结构4，第二功率计5等。

所采用的激光器1可以是DFB激光器或DBR激光器等单模激光器。分光比为3dB的Y型波导2的一端为入射波导21用以导入激光器1的入射光波，入射波导21的一端有第一正锥211，该Y型波导2的第一正锥211通过光纤与激光器1连接以实现良好的耦合效率。

该Y型波导2的另两端分为参考臂波导22和传感臂波导23将入射光波分为等强度的两部分。该参考臂波导22与传感臂波导23之间的距离应该尽量小，则其他外部干扰和振动会同时作用在参考臂波导22和传感臂波导23上，引起相同的相位差，可大大提高了器件的抗干扰能力。该Y型波导2的参考臂波导22的一端有第二正锥221，传感臂波导23的一端有第三正锥231。上述的第一正锥211、第二正锥221和第三正锥231也可采用倒锥结构来增加波导与光纤间的耦合效率(本发明的实施例中的第一正锥211、第二正锥221和第三正锥231采用的是正锥结构)。

第一功率计3通过光纤与参考臂波导22的第二正锥221连接，以探测参考臂波导22的透射光强，来监测激光器1出射的光功率的变化。

传感臂波导23将入射光波耦合进马赫-曾德尔波导结构4，该马赫-曾德尔波导结构4的两臂长差为厘米量级并保持为常数。对于波长固定的入射光波，其透射光强将仅由硅基光波导的折射率决定。如图4所示，入射光波的波长为λ₀，当温度为T₁时，硅基光波导的折射率为n₁，马赫-曾德尔波导结构4的透射光谱如图4中实线所示，其透射的光功率为P₁；当温度变化为T₂时，基于硅基光波导折射率的温度敏感性，其折射率变化为n₂，马赫-曾德尔波导结构4的透射光谱将发生漂移，如图4中的虚线所示，此时透射的光功率为P₂，因此可以通过监测马赫-曾德尔滤波器的透射光功率来反映温度的变化。马赫-曾德尔波导结构4对入射光波进行滤波后，通过第三正锥231将光波耦合进光纤。

第二功率计5通过光纤与传感臂波导23的第三正锥231连接，并测得经滤波后的传感臂波导23的透射光强。通过第一功率计3和第二功率计5测得的透射光强的比值来反映环境温度的变化，同时克服了激光器1自身功率抖动的影响。在整个装置中通过调节激光器1的偏置电流调节激光器1的入射波长以选择合适的波长偏置点，可增加传感器对温度的敏感程度。上述的第一功率计3和第二功率计5也可采用光探测器等。

对于分光比为3dB的马赫-曾德尔波导结构4，其透射光强为

$P\∝{\sin }^2\frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔL}$

其光功率变化为

$\mathrm{\δP}\∝2\sin \frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}L\cos \frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔLg}\frac{\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\δn}$

$\frac{\mathrm{\δP}}{P}=2\cot \frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔLg}\frac{\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\δn}$

对于硅基光波导，红外波段光波的折射率和温度T基本满足如下关系

n＝3.38(1+3.9×10^-5T)  (77K＜T＜400K，)

$\frac{\mathrm{\δP}}{P}=2.764\×{10}^{-4}\frac{\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\cot \frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔLg\δT}$

上式即为光功率的相对变化量与温度的变化关系，测得第一功率计3和第二功率计5光强的相对变化量可实现对温度的测量。同时由于硅基光波导热胀冷缩导致的马赫-曾德尔波导结构4两臂长差的变化，可造成马赫-曾德尔波导结构4的透射光谱朝相同方向漂移，增加了该传感器的灵敏度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括：

一激光器；

一Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；

该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；

该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；

该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；

一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；

一马赫-曾德尔波导结构，该马赫-曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；

一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。

2.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中所采用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的单模激光器。

3.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中所述的第一正锥、第二正锥和第三正锥为正锥结构或倒锥结构。

4.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中Y型波导的分光比为3dB。

5.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中马赫-曾德尔波导结构的两臂长差为厘米量级。

6.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中第一功率计和第二功率计采用光功率计或光探测器。

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