基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種光學(xué)傳感器。特別是涉及一種基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]作為21世紀科技發(fā)展支柱技術(shù)的信息技術(shù)是建立在傳感器、通信、計算機等相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)之上。其中，傳感器是信息數(shù)據(jù)采集不可或缺的工具，其也是物聯(lián)網(wǎng)中的核心部件。雖然傳統(tǒng)的機械、化學(xué)等傳感器技術(shù)相對成熟，但是其存在精度低、易受干擾等不足。光學(xué)傳感器憑借其優(yōu)良的性能在許多領(lǐng)域可以替代傳統(tǒng)傳感器并且可以拓展傳感器使用的領(lǐng)域。比如光學(xué)傳感器既可用于常規(guī)傳感如監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、電磁等重要參數(shù)，又可以用于復(fù)雜的實測地點如水下探測、航空監(jiān)測以及輻射檢測等。光學(xué)傳感器可采用低電壓電源供電甚至無源系統(tǒng)，使其尤為適用于安全防爆措施要求嚴格的檢測現(xiàn)場。此外，結(jié)合無線和(或)有線數(shù)據(jù)傳輸，還可實現(xiàn)基于光學(xué)傳感器的遠程多點實時測控。
[0003]目前基于具有頻譜諧振特性的光學(xué)傳感元件的光學(xué)傳感器系統(tǒng)一般包括一個波長可調(diào)光源或?qū)拵Ч庠矗粋€具有頻譜諧振特性的光學(xué)傳感元件和一個光譜儀，如K.DeVosj 1.BartolozzijE.Schachtj P.Bienstmanj and R.Baetsj〃Silicon-on_Insulatormicroring resonator forsensitive and label-free b1sensing,〃0pt.Express15，7610-7615(2007)。光譜儀可以測量出頻譜諧振特性的變化從而提取出待傳感的信息量。這種方案需要使用價格昂貴且設(shè)備復(fù)雜的光譜儀，其測量精度和準(zhǔn)確度依賴于光源和光譜儀的分辨率、精度和穩(wěn)定度。這些要求顯著增加了傳感器的復(fù)雜度和成本，降低了可靠性和便攜性。
[0004]另一種光學(xué)傳感器方案使用寬譜光源，一個可以將不同波長區(qū)分開(色散)的光柵解復(fù)用器，和一個光探測器陣列，如“一種基于無源諧振腔和光柵解復(fù)用器級聯(lián)光波導(dǎo)傳感器”，專利號:2011205416922。所述的光柵解復(fù)用器和探測器陣列中任意一個探測器組成一個帶通濾波器，通過不同探測器所檢測光信號的變化提取出待傳感的信號量?；谶@種方案的光學(xué)傳感器的測量精度主要取決于光柵解復(fù)用器的色散的分辨率、精度和穩(wěn)定度，而光柵解復(fù)用器的色散精度和穩(wěn)定度在實際制備中易受制造工藝精度影響，在使用過程中易受到外界環(huán)境波動如溫度變化等的影響。這些影響降低了方案的實用性和傳感器的可靠性。此外，這種方案需要大量使用光探測器，又增加了傳感器的成本和功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠通過避免使用昂貴的光譜儀、波長可調(diào)光源以及光探測器陣列，有效降低傳感器的成本和傳感系統(tǒng)復(fù)雜程度的基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:一種基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器，包括有窄帶光源，所述的窄帶光源的出射光連接濾波特性可調(diào)的光學(xué)傳感元件，所述光學(xué)傳感元件的調(diào)控輸入端連接用于調(diào)控光學(xué)傳感元件頻譜濾波特性的調(diào)控元件，所述光學(xué)傳感元件的輸出端連接光探測器，所述調(diào)控元件和光探測器還分別連接信號處理和控制元件。
[0007]所述的光學(xué)傳感元件具有帶通濾波特性、帶阻濾波特性、高通濾波特性、低通濾波特性和全通濾波特性中的至少一個。
[0008]所述的光學(xué)傳感元件是表面等離子波諧振結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)、有限脈沖響應(yīng)濾波器、無限脈沖響應(yīng)濾波器、僅改變信號相位關(guān)系的全通濾波器和在一設(shè)定頻域改變透光率或吸光度的濾波器的光學(xué)結(jié)構(gòu)中的至少一個。
[0009]所述的光探測器是能夠測量光信號的功率、相位和偏振信息中的至少一個信息量的光探測器。
[0010]所述的調(diào)控元件是通過熱光、聲光、電光、光光、磁光和機械光效應(yīng)中的至少一種光學(xué)效應(yīng)來改變光學(xué)傳感元件的頻譜濾波特性。
[0011]所述的光學(xué)傳感元件包括有接收窄帶光源發(fā)出的窄帶光的母線光波導(dǎo)，位于母線光波導(dǎo)一側(cè)的耦合接收母線光波導(dǎo)內(nèi)傳輸光的環(huán)狀光波導(dǎo)諧振腔，以所述環(huán)狀光波導(dǎo)諧振腔為載體的光傳感介質(zhì)材料，用于調(diào)控光學(xué)傳感元件的頻譜濾波特性的調(diào)控元件位于所述的環(huán)狀光波導(dǎo)諧振腔的外側(cè)。
[0012]所述的光傳感介質(zhì)材料是材料本身的光學(xué)性質(zhì)隨物理生化效應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的改變，所述物理生化效應(yīng)包括有壓力、應(yīng)力、速度、加速度、流量、流速、溫度、濕度、氣體、液體、生物試劑、聲、光、電、電磁場和福射效應(yīng)中的至少一個，所述光傳感介質(zhì)材料的可變的光學(xué)性質(zhì)為折射率、光吸收率、極化，發(fā)光強度和偏振相關(guān)的量度參數(shù)中的至少一個。
[0013]所述的光學(xué)傳感元件包括有干涉儀和設(shè)置在所述干涉儀內(nèi)的光傳感介質(zhì)材料，其中，所述的干涉儀是由接收窄帶光源發(fā)出的窄帶光的第一光分路器或光合并器和與所述第一光分路器或光合并器所分出的兩路光對接的第二光分路器或光合并器，所述第二光分路器或光合并器的出射光連接光探測器，所述光傳感介質(zhì)材料設(shè)置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器對接的一條光路上，用于調(diào)控光學(xué)傳感元件的頻譜濾波特性的調(diào)控元件設(shè)置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器對接的另一條光路上，所述的光傳感介質(zhì)材料是材料本身的光學(xué)性質(zhì)隨物理生化效應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的改變，所述物理生化效應(yīng)包括有壓力、應(yīng)力、速度、加速度、流量、流速、溫度、濕度、氣體、液體、生物試劑、聲、光、電、電磁場和福射效應(yīng)中的至少一個，所述光傳感介質(zhì)材料的可變的光學(xué)性質(zhì)為折射率、光吸收率、極化，發(fā)光強度和偏振相關(guān)的量度參數(shù)中的至少一個。
[0014]所述的窄帶光源，是激光光源或非相干光源，或是頻譜寬帶光源和頻域帶通濾波器的疊加而成的窄帶光源；或是有限個窄帶光源的組合。
[0015]本實用新型的一種基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器，通過避免使用昂貴的光譜儀、波長可調(diào)光源以及光探測器陣列，有效降低傳感器的成本和傳感系統(tǒng)復(fù)雜程度。此外，本實用新型因為光學(xué)傳感元件的頻譜濾波特性可以被調(diào)節(jié)，所以無需對光源和光學(xué)傳感元件進行精確的校準(zhǔn)，降低了制造工藝和操作環(huán)境對傳感元件精度和穩(wěn)定度的影響，進一步提高了傳感器的可靠性和實用性。
[0016]本實用新型具有頻譜濾波特性的光學(xué)結(jié)構(gòu)或可提供珀塞耳效應(yīng)(Purcelleffect)。此效應(yīng)可以使光傳感介質(zhì)材料的受傳感物質(zhì)感應(yīng)引發(fā)的光學(xué)性質(zhì)改變得到加強，比如光吸收的強度等，從而提高傳感器的靈敏度和(或)減少所需要的待傳感樣品量或參數(shù)信號強度。
[0017]本實用新型所涉及的傳感器可以通過無線方式如射頻信號連接和(或)有線方式如采用光纖連接，進行遠程測控，并可實現(xiàn)多點陣列化、多參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的包含光傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。本實用新型所涉及的傳感器還可以結(jié)合光波分復(fù)用技術(shù)，進一步拓展傳感器的使用范圍和功能。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型光學(xué)傳感器的整體構(gòu)成框圖；
[0019]圖2是本實用新型光學(xué)傳感器第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是對圖2所示的光學(xué)傳感器施加待傳感的信號量前的環(huán)狀光波導(dǎo)諧振腔的頻譜響應(yīng)曲線；
[0021]圖4是對圖2所示的光學(xué)傳感器施加待傳感的信號量后的環(huán)狀光波導(dǎo)諧振腔的頻譜響應(yīng)曲線；
[0022]圖5是對圖2所示的光學(xué)傳感器通過以一定精度調(diào)節(jié)調(diào)控元件參數(shù)R，傳感器中的光探測器如光功率測量計所測量得到的光信號曲線；
[0023]圖6是圖5所描述情況的一種特例；
[0024]圖7是本實用新型光學(xué)傳感器第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中
[0026]110:窄帶光源120:光學(xué)傳感元件
[0027]130:調(diào)控元件140:光探測器
[0028]150:信號處理和控制元件1201:母線光波導(dǎo)
[0029]1202:光波導(dǎo)諧振腔1203:光傳感介質(zhì)材料
[0030]1211:干涉儀1212:第一光分路器或光合并器
[0031]1213:光傳感介質(zhì)材料1214:第二光分路器或光合并器
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的基于窄帶光源和濾波特性可調(diào)元件的光學(xué)傳感器做出詳細說明。值得指出，本實用新型的實施方式并不應(yīng)被理解為局限于以下敘述的實施例。其他任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)和原理下所作的變化、修飾、替代、結(jié)合、組合，均應(yīng)理解為等效的置換方式，都應(yīng)該置于本實