包括集成片上光波导的光热气体检测器制造技术

一种装置包括集成波导结构和第一光源，该第一光源能够操作以产生具有第一波长的探测束，其中该探测束耦合到波导结构的第一端。第二光源能够操作以产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束路径的气体分子。光检测器耦合到集成波导结构的第二端，并且能够操作用于在探测束穿过波导结构之后检测探测束。该装置是能够操作的，使得气体分子的激发导致气体分子的温度升高，这引起可由光检测器测量的探测束的变化。束的变化。束的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括集成片上光波导的光热气体检测器


[0001]本公开涉及片上气体检测系统。

技术介绍

[0002]用于检测低浓度示踪气体的非侵入性技术可用于环境、生物和医疗应用的范畴。例如，光热或光偏转技术基于光束通过局部折射率梯度的偏转，该折射率梯度是由示踪气体吸收另一光束而产生的。

技术实现思路

[0003]本公开描述了基于光热效应的气体检测的系统，其中气体分子的激发通过具有特征波长的一个光束(即泵浦或激发束)进行，并且其中测量通过另一光束(即探测束)进行。
[0004]例如，在一个方面，本公开描述了一种包括集成波导结构的装置。该装置还包括第一光源，该第一光源能够操作以产生具有第一波长的探测束，其中该探测束耦合到波导结构的第一端中。第二光源能够操作以产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束的路径的气体分子。该装置包括光检测器，该光检测器耦合到集成波导结构的第二端，并且能够操作以在探测束穿过波导结构之后检测探测束。该装置能够操作以使得气体分子的激发导致气体分子的温度升高，温度升高引起能够由光检测器测量的探测束中的变化。
[0005]一些实施方式包括一个或多个以下特征。例如，在一些情况下，集成波导结构包括条形波导或肋形波导。在一些情况下，集成波导结构包括法布里
‑
珀罗(Fabry
‑
Perot)干涉仪、光子晶体或马赫曾德尔(Mach Zehnder)干涉仪中的至少一个。
[0006]在一些实施方式中，集成波导结构具有参考臂和探测臂。该装置可以在其上设置有集成波导结构的基板中具有至少一个开口，使得该至少一个开口能够使得气体在激发束与探测束相交的位置处流动。在一些情况下，该装置在基板中具有多个开口，其中该装置能够操作以使得探测束的测量部分行进通过开口中的第一个，并且探测束的参考部分行进通过开口中的第二个。
[0007]在一些实施方式中，该装置具有电子或光学反馈系统来控制或调整激发束。
[0008]在一些情况下，激发束的路径与探测束的路径相交。因此，在一些实施方式中，集成波导结构包括在其处激发束的路径与探测束的路径相交的温度敏感部分，并且其中温度敏感部分的温度变化引起能够由光检测器测量的探测束中的变化。该装置可以被布置成使得激发束的路径紧随探测束通过集成波导结构的路径。在一些情况下，激发束的路径穿过集成波导结构的一部分。在探测束的自由空间传播期间，激发束的路径可以与探测束的路径相交。
[0009]取决于实施方式，第二光源能够在脉冲模式下或在连续模式下操作。该装置可以包括光学元件，该光学元件能够操作以将激发束导向激发束和探测束相交的区域。在一些实施方式中，该装置包括光导，以将来自第二光源的激发束引导至光栅耦合器，其中光栅耦合器能够操作以将激发束导向激发束和探测束相交的区域。
[0010]尽管第一和第二波长可以彼此相同，但是在一些情况下，激发束的波长不同于探测束的波长。
[0011]在另一方面，本公开描述了一种方法，该方法包括产生具有第一波长的探测束，并将该探测束耦合到集成波导结构的第一端中。该方法还包括产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束的路径的气体分子，其中气体分子的激发导致气体分子的温度升高，温度升高引起探测束中相位和/或强度的变化。耦合到集成波导结构的第二端的光检测器用于测量探测束中的变化。
[0012]取决于应用，该系统可用于识别气体分子的存在、识别特定的气体分子类型和/或基于检测器输出信号确定气体浓度。在一些情况下，使用集成光波导可以有助于使系统更紧凑、更敏感和/或制造成本更低。
[0013]根据以下详细描述、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0014]图1是光热气体检测系统的示例的示意性横截面图。
[0015]图2示出了根据一些实施方式的光热气体检测系统的进一步细节。
[0016]图3是光热气体检测系统的另一示例的示意性横截面图。
[0017]图4是光热气体检测系统的又一示例的示意性横截面图。
[0018]图5是包括马赫曾德尔干涉仪的光热气体检测系统的示例的示意图。
[0019]图6是包括马赫曾德尔干涉仪的光热气体检测系统的另一示例的示意图。
[0020]图7A和7B示出了根据一些实施方式的图6的系统的进一步细节。
具体实施方式
[0021]本公开描述了基于光热效应的气体检测系统，其中气体分子的激发通过具有特征波长的第一光束(即泵浦或激发束)进行，并且其中测量通过具有不同波长的第二光束(即探测束)进行。光热检测技术依赖于探测束在行进通过介质时的偏转，该介质具有垂直于光束传播方向的折射率梯度。折射率梯度由激发束引起。气体分子对激发束的吸收导致温度的局部升高，这又导致温度梯度，从而导致折射率的变化。探测束的偏转指示吸收的激发光量。因此，探测偏转与吸收激发光的气体分子的密度成比例。
[0022]如下文更详细描述的，光热气体检测系统可以包括集成片上光波导，其有助于引导探测束通过系统的一个或多个部分。在一些情况下，使用集成光波导有助于使系统更紧凑、更敏感和/或制造成本更低。
[0023]如图1的示例所示，系统包括第一光源10(例如，激光设备)，其能够操作以产生探测束12，该探测束12被馈送到集成光波导结构14中。波导结构14可以在硅或其他基板24上形成，该波导结构14可以被实施为例如平板波导，该平板波导具有被相应的包层28、30包围的芯26。选择芯26和包层28、30的相对折射率，使得探测束12通过全内反射被引导通过芯区域(即，芯26的折射率大于包围层28、30的折射率)。在一些情况下，可以使用包括条形波导、肋形波导和光子晶体波导的其他类型的集成波导结构。
[0024]该系统还包括第二光源16，第二光源16能够操作以产生泵浦束18，泵浦束18的波长与目标气体分子类型的强特征吸收线一致。在一些情况下，第二光源16是可调整的，以便
产生具有不同相应波长的光束。使用可调整光源允许测试具有不同的相应吸收线(例如，红外线(IR)等)的气体分子类型的存在。在一些实施方式中，第二光源16是VCSEL或能够操作以产生具有窄带宽且具有与特定气体分子类型的强吸收线一致的中心波长的泵浦束的其他激光设备。VCSEL或其他激光设备可以在该吸收线周围的波长范围内可调整。
[0025]该系统还包括光检测器20，用于在探测束18穿过波导结构14之后感测探测束18。因此，波导结构14被布置成在一端接收探测束12，并在探测束离开波导结构14时将探测束12导向光检测器20。在图1的示例中，泵浦束18的路径基本上垂直于探测束12的路径和波导结构14。因此，在这种情况下，泵浦束18穿过波导结构14并与探测束12相交。
[0026]如图1所示，第一光源10和光检测器20可以安装在基板24上。在一些情况下，光检测器可以形成在基板中或基板上。例如，如果基板24由硅构成，并且第一光源10能够操作以产生用于探测束12的可见光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种装置，包括：集成波导结构；第一光源，其能够操作以产生具有第一波长的探测束，其中所述探测束耦合到所述集成波导结构的第一端中；第二光源，其能够操作以产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠所述探测束的路径的气体分子；和光检测器，其耦合到所述集成波导结构的第二端，并且能够操作以在所述探测束穿过所述集成波导结构之后检测所述探测束，其中所述装置能够操作以使得所述气体分子的激发导致所述气体分子的温度升高，所述温度升高引起能够由所述光检测器测量的所述探测束中的变化。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成波导结构包括条形波导或肋形波导。3.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的装置，其中所述集成波导结构包括在其处所述激发束的路径与所述探测束的路径相交的温度敏感部分，其中所述温度敏感部分的温度变化引起能够由所述光检测器测量的所述探测束中的变化。4.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的装置，其中所述激发束的路径与所述探测束的路径相交。5.其中权利要求1的装置具有电子或光学反馈系统来控制或调整所述激发束。6.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的装置，其被布置成使得所述激发束的路径紧随所述探测束通过所述集成波导结构的路径。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述激发束的路径穿过所述集成波导结构的一部分。8.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的装置，其中在所述探测束的自由空间传播期间，所述激发束的路径与所述探测束的路径相交。9.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成波导结构包括法布里
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珀罗干涉仪。10.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：J克拉夫特，R米尼克霍夫，V西德罗夫，安德森辛古拉尼，M萨格梅斯特，F卡斯塔诺，
申请(专利权)人：ams有限公司，
类型：发明
国别省市：