本发明专利技术公开了一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器；光源信号通过输入光波导输入，经过3dB功分器将功率等分到两条非对称的马赫曾德干涉臂，所述两臂由长度不同的第一宽条形波导、窄条形波导、slot波导以及长度相同的第二宽条形波导组成，不同波导结构之间通过锥形波导连接，光场从两臂经过这些波导结构后相位被调制，而后通过合束器进行干涉至输出光波导。本发明专利技术采用三种结构的波导对马赫曾德干涉仪两臂的光场相位进行调制，结合slot波导的高灵敏度特性及平面光波导的集成化优势，实现大带宽范围内的温度不敏感、高折射率灵敏度、自由光谱范围可调、高集成度、低成本的光传感器。本的光传感器。本的光传感器。
A wide bandwidth temperature insensitive sensor based on Mach Zehnder interferometer
【技术实现步骤摘要】
一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器
[0001]本专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器。
技术介绍
[0002]光学传感器具有尺寸小、响应时间短、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，是传感器的一个重要分支。其中，集成光波导传感器具有可批量生产、多通道复用、集成度高等优势，在生物分子检测、及时诊断、环境保护等领域引起广泛的关注和研究。当被测物理量发生变化时，其对应的吸收、散射、荧光等特性发生变化，从而引起波导中光模式有效折射率的变化，此折射率的变化可以通过谐振腔型(如微环、微盘、光子晶体等)或者干涉型(法布里－佩罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫曾德干涉仪等)光波导结构转化成光强或波长的变化来进行测量。
[0003]马赫曾德干涉仪作为一种常见的干涉型光波导结构，易于实现阵列化和多通道同时检测，而且它的两臂可以由多种不同结构的波导组成，通过设计这些波导的几何参数来控制两臂的相位差，从而可以实现多种功能，有很高的灵活性。传统的马赫曾德干涉仪传感器由对称或非对称的条形波导构成两臂，当外界环境如浓度、应力等发生变化时，引起两臂模式的有效折射率的变化，导致两臂相位差的变化，使得干涉波长漂移，从而达到检测外界环境变化的目的。对于条形波导而言，光模式基本分布于波导内部，与被测物质接触面积小，通常灵敏度较低。此外，这些传感器未考虑到本身的温度特性，外界热噪声也会使干涉波长产生漂移，降低了传感器本身的分辨率。
技术实现思路
[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器。本专利技术的目的在于提出一种基于非对称马赫曾德干涉仪的高灵敏度传感器，并在大带宽范围内实现温度不敏感。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0006]一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，依次包括输入光波导(1)、3dB功分器(2)、两条非对称的马赫曾德干涉臂、合束器(10)以及输出光波导(11)。
[0007]所述的输入波导(1)与激光器光源或发光二极管光源相连。
[0008]本专利技术的光源信号经过输入光波导(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到两条非对称的马赫曾德干涉臂，而后通过合束器(10)进行干涉至输出光波导(11)。
[0009]所述的两条非对称马赫曾德干涉臂由第一宽条形波导(3)、第一锥形波导twn(4)、窄条形波导(5)、第二锥形波导tns(6)、slot波导(7)、第三锥形波导tsw(8)、第二宽条形波导(9)依次连接而成。
[0010]所述的3dB功分器(2)，合束器(10)为多模干涉结构、定向耦合器结构或者Y分支结构。
[0011]所述的输入光波导(1)、第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)、第二宽条形波导(9)、输出光波导(11)均为单模传输平面集成光波导。
[0012]所述的两条非对称马赫曾德干涉臂的第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)的长度均不相同，第二宽条形波导(9)的长度相同；两臂用于连接第一宽条形波导(3)与窄条形波导(5)的第一锥形波导twn(4)、用于连接窄条形波导(5)与slot波导(7)的第二锥形波导tns(6)、用于连接slot波导(7)与第二宽条形波导(9)的第三锥形波导tsw(8)的长度均相同，宽度与其两侧所连接的波导的宽度相同，以保证波导之间连续衔接，不发生错位。
[0013]所述的slot波导(7)中的模场与被测物质有很强接触，被测物质折射率的变化引起slot波导(7)中模场有效折射率的大量变化，导致马赫曾德干涉仪两臂的有效光学长度差发生大量变化，从而引起其干涉峰波长的大范围漂移，使得传感器具有高灵敏度。
[0014]通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够控制马赫曾德干涉仪自由光谱范围FSR的大小，以满足测量范围的需求，两臂中三种波导的长度差满足下式：
[0015][0016]式(1)中，λ为干涉峰值波长；ng
w
,ng
n
,ng
s
为第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)中的模式群折射率；ΔL
w
,ΔL
n
,ΔL
s
为马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)的长度差。
[0017]通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够使得干涉峰波长对温度的变化不敏感，两臂中三种波导的长度差满足下式：
[0018][0019]式(2)中,T为温度；n
w
,n
n
,n
s
为第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)中的模式有效折射率。
[0020]通过设计马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)以及slot波导(7)的长度差，能够使得马赫曾德干涉仪的自由光谱范围FSR随温度不发生变化，从而保证大带宽范围内的干涉峰波长对温度的变化不敏感，两臂中三种波导的长度差满足下式：
[0021][0022]公式(1)、(2)和(3)中的ng
w
,由第一宽条形波导(3)的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
n
,由窄条形波导(5)的结构参数(如波导宽度、高度)决定；ng
s
,由slot波导(7)的结构参数(如波导高度、总宽度、波导间隙)决定。这些波导结构参数可根据需求选择，并通过电磁场仿真软件计算得到以上参数。通过公式(1)、
(2)和(3)建立三个三元一次方程组，能够计算得到马赫曾德干涉仪两臂中第一宽条形波导(3)，窄条形波导(5)，slot波导(7)的长度差ΔL
w
，ΔL
n
，ΔL
s
。
[0023]本专利技术具有的有益的效果是：
[0024](1)采用slot波导(7)结构，增加模场与被测物质的接触反应，从而有效提高传感器灵敏度；
[0025](2)在马赫曾德干涉仪两臂引入第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)，并通过设计波导几何参数，实现干涉峰波长的温度不敏感，从而降低了热噪声，有利于提高传感器分辨率；
[0026](3)在马赫曾德干涉仪两臂引入第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)，并通过设计波导几何参数，实现自由光谱范围的温度不敏感，保证干涉波长在至少两个周期内对温度变化不敏感；
[0027](4)引入非对称马赫曾德干涉结构，利用两臂相位差随被测物质的变化进行测量，不需要第二次套刻，简化工艺，降低制作成本。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例传感器示意图；
[0029本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，依次包括输入光波导(1)、3dB功分器(2)、两条非对称的马赫曾德干涉臂、合束器(10)以及输出光波导(11)；所述的输入波导(1)与激光器光源或发光二极管光源相连；光源信号经过输入光波导(1)输入，经过3dB功分器(2)将功率等分到两条非对称的马赫曾德干涉臂，而后通过合束器(10)进行干涉至输出光波导(11)。2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的两条非对称马赫曾德干涉臂由第一宽条形波导(3)、第一锥形波导twn(4)、窄条形波导(5)、第二锥形波导tns(6)、slot波导(7)、第三锥形波导tsw(8)、第二宽条形波导(9)依次连接而成。3.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的3dB功分器(2)，合束器(10)为多模干涉结构、定向耦合器结构或者Y分支结构。4.根据权利要求2所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的输入光波导(1)、第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)、第二宽条形波导(9)、输出光波导(11)均为单模传输平面集成光波导。5.根据权利要求2或4所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温度不敏感的传感器，其特征在于，所述的两条非对称马赫曾德干涉臂的第一宽条形波导(3)、窄条形波导(5)、slot波导(7)的长度均不相同，第二宽条形波导(9)的长度相同；两臂用于连接第一宽条形波导(3)与窄条形波导(5)的第一锥形波导twn(4)、用于连接窄条形波导(5)与slot波导(7)的第二锥形波导tns(6)、用于连接slot波导(7)与第二宽条形波导(9)的第三锥形波导tsw(8)的长度均相同，宽度与其两侧所连接的波导的宽度相同，以保证波导之间连续衔接，不发生错位；所述的slot波导(7)中的模场与被测物质有很强接触，被测物质折射率的变化引起slot波导(7)中模场有效折射率的大量变化，导致马赫曾德干涉仪两臂的有效光学长度差发生大量变化，从而引起其干涉峰波长的大范围漂移，使得传感器具有高灵敏度。6.根据权利要求5所述的一种基于马赫曾德干涉仪的大带宽温...
【专利技术属性】
技术研发人员：时尧成，丁佐芹，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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