一种基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器 技术领域 本发明涉及光传感器， 尤其是涉及一种基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔 的光传感器。
背景技术 光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支， 在工业过程控制、 环境监测、 食品 安全和国家安全等方面有着十分重要的应用。 光传感技术可解决电传感技术存在的灵敏度 低、 易受干扰、 感应时间较长、 检测某些化学气体不安全等方面的问题。光传感器具有灵敏 度高、 体积小、 抗电磁干扰能力强、 便于集成、 可在线检测的优点， 在传感领域占有越来越重 要的地位。
光波导传感器件的基本原理是基于光纤或平面波导的界面 / 表面所出现的倏逝 波， 由于倏逝波透出波导的表面 ( 接触待测物质 ) 并返回波导中， 从而影响波导中传输光的 特性， 因此探测波导中传输光的变化可实现光传感。
如图 1， K.De Vos 等人在文献 “Silicon-on-Insulat or microring resonator forsensitive and label-free biosensing” ， Optics Express 15， pp.7610-7615(2007)。 中提出利用环形谐振器作为光波导传感器的方案， 环形谐振器是光谐振腔的一种， 由于其 具有比较尖锐的滤波谱线， 用作传感器灵敏度较高， 因此受到了广泛关注。 K.De Vos 等人方 案的缺点在于需要一个价格昂贵的光谱仪来测量透射峰的波长移动， 其测量精度与光谱仪 的精度直接相关。如果用测量透射峰附近某个固定波长光能量变化的方法， 则需要一个窄 线宽的单模激光器作为光源， 而且激光器的波长要与谐振环的透射峰有精确的相对位置， 而且要高度稳定。这些要求都大大增加了测量装置的成本， 降低了可靠性。
发明内容
针对背景技术中的不足， 本发明的目的在于提供一种基于有源谐振腔和与之级联 的无源谐振腔的光传感器。
本发明采用的技术方案如下 ：
技术方案 1 ：
本发明包括带有内部增益的可发射等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有源谐振 腔和具有等间隔梳状滤波谱的无源谐振腔， 以及光功率探测器 ； 有源谐振腔与无源谐振腔 的光学长度相同， 无源谐振腔中至少设有一段光学长度能随外界环境改变而改变的无源谐 振腔传感区， 有源谐振腔的一个输出端口发射的光谱输入到无源谐振腔， 经过无源谐振腔 的滤波之后再被一个光功率探测器所接收。
所述有源谐振腔为有源法布里 - 珀罗谐振腔、 有源环形谐振腔或者内部带有分布 式反馈光栅结构的多段式有源谐振腔。
所述无源谐振腔为无源环形谐振腔、 无源法布里 - 珀罗谐振腔或者内部带有分布 式反馈光栅结构的多段式无源谐振腔。所述有源谐振腔是一个施加了周期与光子在有源谐振腔中的运行周期相同的微 波驱动信号， 从而保持其发射光谱不受外界干扰的有源谐振腔。
所述有源谐振腔的另一个输出端口处设有另一个光功率探测器。
技术方案 2 ：
本发明包括带有内部增益的可发射等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有源谐振 腔和具有等间隔梳状滤波谱的无源谐振腔， 以及光谱仪 ； 有源谐振腔与无源谐振腔的光学 长度不同， 无源谐振腔中至少设有一段光学长度能随外界环境改变而改变的无源谐振腔传 感区， 有源谐振腔一个输出端口发射的光谱输入到无源谐振腔， 经过无源谐振腔的滤波之 后再被光谱仪所接收。
所述有源谐振腔为有源法布里 - 珀罗谐振腔、 有源环形谐振腔或者内部带有分布 式反馈光栅结构的多段式有源谐振腔。
所述无源谐振腔为无源环形谐振腔、 无源法布里 - 珀罗谐振腔或者内部带有分布 式反馈光栅结构的多段式无源谐振腔。
所述有源谐振腔是一个施加了周期与光子在有源谐振腔中的运行周期相同的微 波驱动信号， 从而保持其发射光谱不受外界干扰的有源谐振腔。 与背景技术相比， 本发明具有的有益效果是 ：
本发明使用有源 - 无源级联双谐振腔的滤波效应， 当有源和无源谐振腔光学长度 相同时， 只需要简单地用光功率探测器测量全光谱范围内输出光强度的变化就能得到被测 物理量的变化， 不再需要通过光谱仪得到光谱相关的信息， 降低器件测试成本， 使用法布 里 - 珀罗 (Fabry-Perot) 腔等成本低廉的多模有源谐振腔作为输入光源， 降低器件生产制 作的成本， 并且， 通过有源和无源元件集成技术， 无需外接光源， 也消除了对高难度、 高成本 的传感波导光耦合的需求。 进一步的， 当有源和无源谐振腔光学长度不相同时， 通过光谱仪 得到两个谐振腔游标效应的输出光谱， 能够进一步扩展测量范围， 提高测试精度。 通过从以 上几个角度看， 本发明的光传感器相比传统的无源光传感器成本大大降低， 使用与测试更 为简便。
附图说明
图 1 是背景技术中基于单个环形谐振腔的无源光波导传感器示意图。
图 2 是本发明第一种实施方式结构示意图。
图 3 是本发明第一种实施方式中有源法布里 - 珀罗谐振腔与无源环形谐振腔光程 差为 0 时有源法布里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱和无源环形谐振腔的透射谱。
图 4 是本发明第一种实施方式中有源法布里 - 珀罗谐振腔与无源环形谐振腔光程 差为 0 时有源法布里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱与无源环形谐振腔透射谱叠加结果。
图 5 是本发明第一种实施方式中有源法布里 - 珀罗谐振腔与无源环形谐振腔光程 差非 0 时有源法布里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱和无源环形谐振腔的透射谱。
图 6 是本发明第一种实施方式中有源法布里 - 珀罗谐振腔与无源环形谐振腔光程 差非 0 时有源谐振腔的荧光发射谱与无源谐振腔透射谱叠加结果。
图 7 是本发明第一种实施方式中光功率探测器探测到的光功率随无源环形谐振 腔波等效导折射率变化的曲线。图 8 是本发明第二种实施方式结构示意图。
图 9 是本发明第三种实施方式结构示意图。
图 10 是本发明第四种实施方式结构示意图。
图 11 是本发明第五种实施方式结构示意图。
图 12 是本发明第六种实施方式结构示意图。
图 13 是有源法布里 - 珀罗谐振腔和无源环形谐振腔的多个纵模。以及有源腔的 材料增益谱。
图 14 是本发明第六种实施方式中无源环形谐振腔折射率为 3.215 时有源法布 里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱和无源环形谐振腔的透射谱。
图 15 是本发明第六种实施方式中无源环形谐振腔折射率为 3.215 时有源法布 里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱与无源环形谐振腔透射谱叠加结果。
图 16 是本发明第六种实施方式中无源环形谐振腔折射率为 3.2155 时有源法布 里 - 珀罗谐振腔的荧光发射谱和无源环形谐振腔的透射谱。
图 17 是本发明第六种实施方式中无源环形谐振腔折射率为 3.2155 时法布里 - 珀 罗谐振腔的荧光发射谱与无源环形谐振腔透射谱叠加结果。
图 18 是本发明第六种实施方式中光谱仪接收到两个模式能量相当时法布里 - 珀 罗谐振腔的荧光发射谱与无源环形谐振腔透射谱叠加结果。
图中 ： 1、 有源法布里 - 珀罗谐振腔， 2、 无源环形谐振腔， 3、 一个光功率探测器， 11、 周期与光子在有源谐振腔中的运行周期相近的微波驱动信号， 12、 有源法布里 - 珀罗谐振 腔第一反射镜， 13、 有源法布里 - 珀罗谐振腔第二反射镜， 20、 无源环形谐振腔无源波导区， 21、 无源环形谐振腔传感区， 22、 第一无源波导， 23、 第二无源波导， 4、 无源法布里 - 珀罗谐 振腔， 40、 无源法布里 - 珀罗谐振腔无源波导区， 41、 无源法布里 - 珀罗谐振腔传感区， 42、 无 源法布里 - 珀罗谐振腔第一反射镜， 43、 无源法布里 - 珀罗谐振腔第二反射镜， 5、 有源环形 谐振腔， 51、 第三无源波导， 6、 另一个光功率探测器， 7、 光谱仪。 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图 2 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第一种实 施方式。它至少包括一个带有内部增益的具有等间隔梳状光谱输出的有源法布里 - 珀罗谐 振腔 1 和一个具有等间隔梳状滤波谱的无源环形谐振腔 2， 以及一个光功率探测器 3 ； 有源 法布里 - 珀罗谐振腔与无源环形谐振腔的光学长度相同， 无源环形谐振腔中设有一段光学 长度能随外界环境改变而改变的无源环形谐振腔传感区 21， 有源法布里 - 珀罗谐振腔发射 的光谱通过第一无源波导 22 输入到无源环形谐振腔， 经过无源环形谐振腔的滤波之后， 通 过第二无源波导 23 被一个光功率探测器 3 所接收。
图中有源法布里 - 珀罗谐振腔由增益区以及位于其两端面的有源法布里 - 珀罗谐 振腔第一反射镜 12 和有源法布里 - 珀罗谐振腔第二反射镜 13 构成。自发辐射的光子在增 益区中被放大， 在两反射镜 12， 13 处一部分被反射回有源腔内继续获得放大， 另一部分则 透过有源法布里 - 珀罗谐振腔第二反射镜 13 出射形成梳状发射光谱。无源环形谐振腔 2 由无源环形谐振腔无源波导区 20， 无源环形谐振腔传感区 21 构成。 有源法布里 - 珀罗谐振腔发射的光谱经过无源环形谐振腔的滤波出射后被光功率探测器所接收。 无源环形谐振腔 通过第一和第二无源波导分别与有源法布里 - 珀罗谐振腔和光功率探测器相连接。
光功率探测器监测到的光功率 P 可以表示成 ：
其中 I(ω) 表示有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 的发射谱， T(ω) 表示无源环形谐振 腔 2 的滤波谱线。通常来说， 有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 的发射光谱线宽远远小于无源环 形谐振腔 2 的滤波谱， 因此有 ：
其中 ωk ＝ kπc/L1， 是有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 的第 k 级谐振频率， c 是光速， L1 是有源谐振腔 1 的光学长度。Δ(ω) 是冲击函数， F(ω) 是发射谱的包络， ωk0 是发射谱 包络峰值频率。
对于无源环形谐振腔， 其滤波函数可表示为 ：其中 C 为无源环形谐振腔所带耦合器的直通耦合系数， L2 是无源环形谐振腔的光 学长度的一半， ω 为角频率， c 为真空中的光速， T0 为常数。
将 (2)(3) 代入 (1) 可得 ：
其中 L1 是有源谐振腔的光学长度， ΔL ＝ L2-L1， Δk ＝ k-k0。在一般有源谐振腔 1 发光谱线范围内， 如果传感范围变化不大， 可以有 ΔL ＜＜ L1 和 Δk ＜＜ k0， ， 因此可忽略 (4) 式分母中的高阶小量 2πΔk(ΔL)/L1， (4) 式可以变换为 ：
其中表示有源法布里 - 珀罗谐振腔发出的总功率。由式 (5)可以看出， 光功率探测器接收到的功率 P 与有源法布里 - 珀罗谐振腔和无源环形谐振腔的 光程差异 ΔL 有关， 当 ΔL 为 0 时， 光功率探测器接收到的功率最大， 两光程偏离越多， 则接 收到的功率越小。因此， 当传感区 21 的光学长度受到外界环境因素诸如应力， 温度或者被 测物质浓度等改变时， 无源环形谐振腔总光学长度就会发生变化， 导致 ΔL 变化， 从而引起 光功率探测器接收到的光功率变化。 通过测量该功率变化， 就可以获得应力， 温度等被测信 息。图 3 给出了一个长度为 200μm， 折射率为 3.215， 工作波长在 1550nm 的有源法布 里 - 珀罗谐振腔工作在阈值电流以下的荧光发射谱以及一个长度和折射率与该有源谐振 腔相当， 周长为 400μm 的无源环形谐振腔的透射谱。此时， 两个谐振腔的光程差异 ΔL 为 0， 有源谐振腔的荧光发射谱和无源谐振腔的透射谱峰值互相对准， 有源谐振腔发射出的功 率为 4.823mW。图 4 为有源法布里 - 珀罗谐振腔荧光发射谱与无源环形谐振腔透射谱互相 叠加后的结果， 即整个传感器的输出功率谱， 计算得到光功率探测器探测到的总输出功率 为 3.995mW。
当无源谐振腔的折射率因外界环境影响而从 3.215 变为 3.217 时， 有源谐振腔的 荧光发射谱和无源谐振腔的透射谱如图 5 所示， 此时由于传感区等效折射率的改变， 两个 腔的光程有了小差异， 有源谐振腔的荧光发射谱和无源谐振腔的透射谱峰值互相错开， 有 源谐振腔发射出的功率仍旧为 4.823mW。图 6 为有源法布里 - 珀罗谐振腔荧光发射谱与 无源环形谐振腔透射谱互相叠加后的结果， 计算得到光功率探测器探测到的总输出功率为 0.2862mW。
图 7 是输出光功率随无源环形谐振腔折射率变化的曲线， 可见， 折射率的微小变 -4 化就能引起传感器输出光功率的变化。在折射率变化在 0 ～ 4×10 的范围内， 功率变化基 本成线性， 我们可以利用该区域做传感。 由上述例子可见， 当有源谐振腔工作在阈值以下时， 可以通过探测传感器的输出 功率变化就可以得到外界应力、 温度等变化。当有源谐振腔工作在阈值以上时同样可以得 到类似的探测效果。
图 8 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第二个实 施方式， 它包括带有内部增益的可发射等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有源环形谐振腔 5 和具有等间隔梳状滤波谱的无源环形谐振腔 2， 以及一个光功率探测器 3， 有源环形谐振 腔通过第三无源波导 51 与无源环形谐振腔相连。另外， 有源环形谐振腔还可以是内部带有 分布式反馈光栅结构的多段式有源谐振腔等输出等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有源 谐振腔。
图 9 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第三个实 施方式， 它包括带有内部增益的可发射等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有源法布里 - 珀 罗谐振腔 1 和具有等间隔梳状滤波谱的无源法布里 - 珀罗谐振腔 4， 以及一个光功率探测器 3， 无源法布里 - 珀罗谐振腔包括 ： 无源法布里 - 珀罗谐振腔第一反射镜 42， 无源法布里 - 珀 罗谐振腔第二反射镜 43， 无源法布里 - 珀罗谐振腔无源波导区 40， 光学长度能随外界环境 改变而改变的无源法布里 - 珀罗谐振腔传感区 41。另外， 无源法布里 - 珀罗谐振腔还可以 是内部带有分布式反馈光栅结构的多段式有源谐振腔等输出等间隔梳状自发辐射谱或激 光谱的无源谐振腔。
图 10 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第四个实 施方式， 它包括一个带有内部增益的具有等间隔梳状光谱输出的有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 和一个具有等间隔梳状滤波谱的无源环形谐振腔 2， 以及一个光功率探测器 3 ； 有源环形 谐振腔是一个施加了周期与光子在有源谐振腔中的运行周期相同的微波驱动信号 11 从而 保持其发射光谱不受外界干扰的有源法布里 - 珀罗谐振腔 1。
由 (5) 式可知， 光功率探测器 3 获得的光功率和有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 和无
源环形谐振腔 2 光程差有关， 因此任何有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 光程的变化也会造成功 率的波动， 特别是工作在阈值以上的多模激光器由于模式竞争造成输出光谱和功率的不稳 定， 导致对测量结果的干扰， 但如果用前述微波信号 11 驱动有源法布里 - 珀罗谐振腔 1， 那 么其谐振频率可以被精确的锁定， 从而可以减少有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 对探测结果造 成的干扰， 提高传感的灵敏度。
图 11 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第五个实 施方式， 它包括一个带有内部增益的具有等间隔梳状光谱输出的有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 和一个具有等间隔梳状滤波谱的无源环形谐振腔 2， 以及一个光功率探测器 3 ； 此外， 在有 源法布里 - 珀罗谐振腔第二反射镜 12 的外侧设有另一个光功率探测器 6， 用于接收未经过 无源环形谐振腔滤波的输出光谱。
有源法布里 - 珀罗谐振腔 1 在受到外界环境变化的干扰时输出功率会发生波动， 特别是工作在阈值以上的多模激光器由于模式竞争效应造成的输出光谱和功率不稳定会 对测量结果有干扰， 而本实施方式中光功率探测器 6 得到的光功率能够反映此类的功率波 动， 因此， 通过将光功率探测器 3 和 6 上得到的功率进行对比， 能够滤除外界干扰带来的有 源谐振腔功率不稳定， 提高传感精度。 图 12 是本发明基于有源谐振腔和与之级联的无源谐振腔的光传感器的第六种实 施方式。它至少包括一个带有内部增益的具有等间隔梳状光谱输出的有源法布里 - 珀罗谐 振腔 1 和一个具有等间隔梳状滤波谱的无源环形谐振腔 2， 以及光谱仪 7 ； 有源法布里 - 珀 罗谐振腔与无源环形谐振腔的光学长度不同， 无源环形谐振腔中至少设有一段光学长度能 随外界环境改变而改变的无源环形谐振腔传感区 21， 有源法布里 - 珀罗谐振腔发射的光谱 通过第一无源波导 22 输入到无源环形谐振腔， 经过无源环形谐振腔的滤波之后， 通过第二 无源波导 23 被光谱仪 7 所接收。
本实施方式中无源环形谐振腔的光程与有源法布里 - 珀罗谐振腔略有不同， 两个 谐振腔的谐振模式频率间隔也略微不同， 分别是 Δf 和 Δf， 这使得在激光器材料增益谱范 围内两个谐振腔的谐振模式仅在 fo 处完全重合， 如图 13。 此时， 只有频率 fo 的光能较低损 耗地通过无源环形谐振腔， 从而在光谱仪上能看到 fo 的强度远远大于相邻的模式。当无源 环形谐振腔的光程由于传感区 ( 虚线框内部分 ) 等效折射率的改变而改变时， 无源环形谐 振腔的滤波谱线会产生一个整体偏移， 导致重合峰向相邻的谐振峰移动， 而 Δf 和 Δf 的最 小公倍数成为自由光谱范围。各谐振峰的相对光功率分布变化， 利用一个外接光谱仪 7 就 可以测出折射率变化。由于利用了游标效应， 因此该方法比传统的单个无源谐振环具有更 高的灵敏度。
图 14 给出了一个长度为 200μm， 折射率为 3.215， 工作波长在 1550nm 的有源法布 里 - 珀罗谐振腔工作在阈值电流以下的荧光发射谱以及一个周长为 360μm， 折射率与该有 源谐振腔相同的无源环形谐振腔的透射谱。此时， 两个谐振腔的谐振模式在 1550nm 处完全 重合， 有源法布里 - 珀罗谐振腔的发射谱中只有 1550nm 波长的光能较低损耗地通过无源环 形谐振腔， 从光谱仪上可以得到如图 15 所示的光谱。
当无源谐振腔的折射率因外界环境影响而从 3.215 变为 3.2155 时， 有源谐振腔的 荧光发射谱和无源谐振腔的透射谱如图 16 所示， 由于无源环形谐振腔透射谱的移动， 两个 谐振腔的谐振模式变为在 1548nm 处完全重合， 只有 1548nm 波长的光能较低损耗地通过无
源环形谐振腔， 在光谱仪上得到如图 17 所示的光谱。
由上述分析可得到， 当无源环形谐振腔的折射率变化 5×10-4 时， 该传感器的输出 光谱中能量最大的模式就发生一次跳变， 可以简单的用模式跳变的个数来换算出无源环形 谐振腔波导折射率的变化量， 进一步转化到外界环境的变化 ( 如温度， 湿度 )。 另外， 当折射 率的变化介于两个状态之间时， 我们可以通过输出光谱中两个能量相当的模式之间的功率 比值 ( 如图 18) 来进一步细化折射率的分辨率。
上述实施例用来解释说明本发明， 而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和 权利要求的保护范围内， 对本发明作出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范围。 例如 有源法布里 - 珀罗谐振腔可以换作其他任何可发射等间隔梳状自发辐射谱或激光谱的有 源谐振腔， 而无源环形谐振腔可以换做任何其他可以产生周期性滤波谱线的光学结构， 如 刻蚀衍射光栅， 阵列波导光栅， 采样布拉格光栅等。