包括具有光学谐振器的波导的传感器和感测方法技术

传感器(10)包括具有纵轴和端面(21)的波导(20)，波导(20)包括布拉格光栅(23)。所述传感器包括在波导(20)的端面(21)上的至少一个反射体(24)。光学谐振器(25)由布拉格光栅(23)、至少一个反射体(24)，以及光学谐振器(25)的在布拉格光栅(23)和至少一个反射体(24)之间的内部部分形成。光学谐振器(25)的内部部分在波导(20)的一部分内延伸。传感器(10)包括被配置成检测光学谐振器(25)的至少一个光谱特性，或者光学谐振器(25)的至少一个光谱特性的变化的检测器(32)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括具有光学谐振器的波导的传感器和感测方法
本专利技术的实施例涉及包括波导和光学谐振器的传感器和其他设备。本专利技术的实施例具体涉及可以在传感器中使用的波导和光学谐振器，并且涉及使用这种波导的传感器和感测方法。
技术介绍
对适用于新的应用领域的波导和光学谐振器的需求不断增加。举例来说，例如超声频率范围中的声学感测经常使用压电检测器来进行。这种传统的压电检测器不能满足当前对高性能超声传感器的需求。举例来说，恶劣环境中的无损检测，以及光声内窥镜检查和光声/光声感测混合显微镜检查的新兴领域需要极小、灵活和不受电磁干扰影响，并且表现出高带宽的传感器。后者特别重要，因为光声效应产生的超声信号的带宽和中心频率与光吸收体尺寸成比例。理想的是具有高带宽传感器，所述高带宽传感器然后可以用于例如按照吸收体的尺寸，区分和标记吸收体，比如皮肤下和皮肤中的脉管系统。这种改进的传感器可有助于例如通过研究血管生成来研究和监测肿瘤，以及研究和监测如糖尿病、高血压等疾病。基于光学谐振器的传感器是一种有希望的替代方案。WO2010/043876A2公开了一种组合式压力和温度传感器。该传感器包括至少一个第一类型的第一光学感测元件和至少一个第二类型的第二光学感测元件。该传感器适于使用第二或第一光学感测元件的响应来补偿第一或第二光学感测元件中的另一个光学感测元件的温度和/或压力效应。在两个光纤端部之间的间隙中可以形成光学腔。US7054011B2公开一种光纤传感器，该光纤传感器具有结合到光纤的端面的中空管，和结合到所述中空管的膜片。G.Wissmeyer等，“All-opticaloptoacousticmicroscopebasedonwidebandpulseinterferometry”，OpticsLetters，Vol.41，Issue9，pp.1953-1956(2016)公开了一种基于π相移光纤布拉格光栅(π-FBG)的全光学光声显微镜，其中相干恢复脉冲干涉法(CRPI)用作探询方法。A.Rosenthal等，“Embeddedultrasoundsensorinasilicon-on-insulatorphotonicplatform”，Appl.Phys.Lett.104,021116(2014)公开了一种基于由波导波纹形成的π相移光纤布拉格光栅的小型化超声传感器。A.Rosenthal等，“Sensitiveinterferometricdetectionofultrasoundforminimallyinvasiveclinicalimagingapplications”，LaserPhotonicsRev.,Vol.8,No.3,pp.450-457(2014)公开了小型化的光学检测器。C.Zhang等，“ReviewoflmprintedPolymerMicroringsasUltrasoundDetectors:Design,Fabrication,andCharacterization”，IEEESENSORSJOURNAL,Vol.15,No.6(June2015)公开了适合于光声感测成像的超声检测器。R.Nuster等，“Photoacousticsectionimagingusinganellipticalacousticmirrorandopticaldetection”，JBOLetter,Vol.17(3),030503(March2012)公开了一种将光学干涉仪与声反射镜结合的方法。US2002/0166955Al公开一种包括用于调制光的超声检测元件的超声接收设备。US7292755B1公开一种具有至少两个反射体的平面光波导。US2014/0180030Al公开一种脉管内血压和流速线(wire)。尽管在这些文献中公开的传感器提供了优于基于例如压电检测器的常规传感器的各种益处，但是仍然需要允许以良好的灵敏度进行感测，同时提供小的横截面，并且由于其小型化，增大了检测带宽和角度的波导和传感器。
技术实现思路
在本领域中，需要表现出适合于感测或其他应用的改进特性的设备和方法。特别需要适于在感测或其他应用中通用，同时提供高灵敏度并具有小尺寸的设备和方法。特别需要缓减通常与电磁干扰关联的问题的此类设备和方法。按照本专利技术的一些实施例，提供了一种波导，所述波导具有单片集成在该波导中的光学谐振器。所述光学谐振器被限定在一侧的布拉格光栅(BG)和另一侧的至少一个反射体之间，所述至少一个反射体具有与BG不同的构成。所述光学谐振器位于波导的一端。反射体可以包括涂覆在波导的端面(刻面)上的反射层，和/或可以包括对在波导的刻面处的表面等离子体激元的感应敏感的材料，比如纳米粒子，从而在波导的一端限定具有高Q因子的光学腔。反射体可以包括置于所述波导的所述端面附近的另一较短的布拉格光栅。所述另一较短的布拉格光栅可以插入在光学谐振器的内部部分和波导的可以涂覆有反射层的所述端面之间。从光学谐振器由一侧的布拉格光栅和另一侧的具有不同构成的至少一个反射体界定这一方面来说，光学谐振器是非对称的。在一些实施例中，Fabry-Perot式光学谐振器(即,标准具)可由布拉格光栅和光学反射层界定，其中布拉格光栅和谐振器是波导的一部分。反射层可以在波导的端部，在其端面上形成。光学谐振器可以包括所述布拉格光栅和所述至少一个反射体，其中光学谐振器的内部部分(所述内部部分可被定义为光学谐振器的插入在布拉格光栅的最靠近波导的端面的端部与至少一个反射体的最靠近布拉格光栅的部分之间的部分)与所述波导是单片地形成的。具有集成光学谐振器的这种波导具有各种应用。举例来说，与其他基于谐振器的传感器相比，可以检测入射到刻面的诸如超声之类的声波。当使用波导刻面而不是外周面进行感测时，有效感测尺寸显著减小，并且检测带宽增大。作为波导的一部分的光学谐振器的实现显著减小损耗并增加光约束，从而产生紧凑的感测设备。非对称设计允许光学谐振器最大程度地暴露于待感测的激励，以及基本上无损耗的光学谐振器的光学读出。使用具有集成光学谐振器的波导进行的感测不受电磁干扰影响。按照本专利技术的一个方面的传感器包括具有纵轴和端面的波导，所述波导包括布拉格光栅。至少一个反射体设置在所述波导的所述端面上。光学谐振器由所述布拉格光栅、所述至少一个反射体、以及位于所述布拉格光栅和所述至少一个反射体之间的光学谐振器的内部部分形成。光学谐振器的内部部分在波导的一部分内延伸。所述传感器包括检测器，所述检测器被配置成检测所述光学谐振器的至少一个光谱特性，或者所述光学谐振器的至少一个光谱特性的变化。所述至少一个光谱特性或者所述至少一个光谱特性的变化可包括以下中的任意一个或者它们的任意组合：所述光学谐振器的至少一个谐振频率；所述光学谐振器的至少一个谐振频率的偏移；使用相干连续波(cw)干涉法或非相干cw干涉法测量的响应于探询光的检测光的强度；所述光学谐振器的光谱响应，它可以使用宽带探询来检测；和/或所述光学谐振器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器(10；120；151-158)，包括：/n具有纵轴和端面(21；51；71)的波导(20；50；70)，所述波导(20；50；70)包括布拉格光栅(23；53；73)；/n在所述波导(20；50；70)的所述端面(21；51；71)上的至少一个反射体(24；28；54；74)；/n其中光学谐振器(25；55；75)由所述布拉格光栅(23；53；73)、所述至少一个反射体(24；28；54；74)以及所述光学谐振器(25；55；75)的在所述布拉格光栅(23；53；73)和所述至少一个反射体(24；28；54；74)之间的内部部分形成，所述光学谐振器(25；55；75)的内部部分在所述波导(20；50；70)的一部分内延伸，所述光学谐振器(25；55；75)的内部部分具有小于100μm的长度(35；85)；和/n被配置成检测所述光学谐振器(25；55；75)的至少一个光谱特性或者所述光学谐振器(25；55；75)的至少一个光谱特性的变化的检测器(32)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180309 EP 18160946.21.一种传感器(10；120；151-158)，包括：
具有纵轴和端面(21；51；71)的波导(20；50；70)，所述波导(20；50；70)包括布拉格光栅(23；53；73)；
在所述波导(20；50；70)的所述端面(21；51；71)上的至少一个反射体(24；28；54；74)；
其中光学谐振器(25；55；75)由所述布拉格光栅(23；53；73)、所述至少一个反射体(24；28；54；74)以及所述光学谐振器(25；55；75)的在所述布拉格光栅(23；53；73)和所述至少一个反射体(24；28；54；74)之间的内部部分形成，所述光学谐振器(25；55；75)的内部部分在所述波导(20；50；70)的一部分内延伸，所述光学谐振器(25；55；75)的内部部分具有小于100μm的长度(35；85)；和
被配置成检测所述光学谐振器(25；55；75)的至少一个光谱特性或者所述光学谐振器(25；55；75)的至少一个光谱特性的变化的检测器(32)。


2.按照权利要求1所述的传感器，
其中所述传感器(10；120；151-158)是声学传感器、压力传感器或温度传感器。


3.按照权利要求1或2所述的传感器，
其中所述光学谐振器(25；55；75)被配置成将电磁辐射限制在所述端面(21；51；71)附近。


4.按照前述权利要求任意之一所述的传感器，
其中所述传感器(10；120；151-158)还包括被配置成通过所述布拉格光栅(23；53；73)向所述光学谐振器(25；55；75)提供电磁辐射的源(33)，并且
其中所述检测器(32)被配置成检测从所述光学谐振器(25；55；75)通过所述布拉格光栅(23；53；73)并沿着所述波导(20；50；70)传播的电磁辐射(42)。


5.按照权利要求4所述的传感器，
其中所述检测器(32)被配置成感测以下中的至少一个：
所述光学谐振器(25；55；75)的光谱响应；
所述光学谐振器(25；55；75)的光谱响应按照时间的变化；
从所述光学谐振器(25；55；75)耦合出的电磁辐射(42)的强度；
从所述光学谐振器(25；55；75)耦合出的电磁辐射(42)的强度按照时间的变化。


6.按照权利要求4所述的传感器，其中所述检测器(32)被配置成感测固定频率下的电磁辐射(42)的强度的变化。


7.按照前述权利要求任意之一所述的传感器，
其中所述至少一个反射体(24；28；54；74)包括至少一个反射层(24；54；74)，可选地，其中所述至少一个反射层包括直接涂覆到所述波导(20；50；70)的所述端面(21；51；71)上或者直接涂覆到不同于所述波导(20；50；70)的载体上的至少一个金属层和/或至少一个介电层。


8.按照前述权利要求任意之一所述的传感器，
其中所述至少一个反射体包括被配置成使得在其中生成表面等离子体激元，以与所述布拉格光栅(23)形成所述光学谐振器(25)的粒子(28)或材料，所述至少一个光谱特性是所述光学谐振器(25)的响应于样本(122)与所述粒子(28)或材料的相互作用而偏移的至少一个谐振频率。


9.按照前述权利要求任意之一所述的传感器，还包括
附着到所述波导(20；50；70)的所述端面的声耦元件(161)，可选地，其中所述声耦元件(161)具有被选择为与要感测的声波的中心频率匹配的长度。


10.按照前述权利要求任意之一所述的传感器，还包括声反射镜(100)和用于相对于声反射镜(100)定位所述光学谐振器(25；55；75)的保持机构(108)。


11.按照权利要求10所述的传感器，
其中所述声反射镜(100)包括限...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·施耐德曼，G·M·韦斯米耶，V·恩特奇亚奇瑞斯，
申请(专利权)人：慕尼黑技术大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE