专利名称：基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅基光波导温度传感器，特别涉及一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感装置。
背景技术：
在温度传感领域，工业生产和日常生活主要采用接触式电传感器进行温度传感， 如热电偶、热电阻等，但这些技术很难在高温、高压、高湿、高电磁干扰等恶劣环境中得到应 用。同时在高温高湿或高腐蚀环境中，电传感本身会迅速老化损坏而根本无法对温度进行 测量。基于光纤的高稳定性及耐高温、高压、高湿、强电磁干扰等优点，已经开发出多种光纤 温度传感装置如布里渊散射温度传感器、拉曼散射温度传感器等。与光纤相比，硅基光波导 本身固有耐高温、高压、强腐蚀性和抗干扰能力强等优点，可同样应用于恶劣环境中实现对 温度的测量。马赫-曾德尔结构作为光信号处理领域的基本结构，已广泛地应用在各种调制器 和滤波器中。基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导所构成的梳状滤波器，因其透射光谱随 温度的漂移特性可应用于温度传感领域。在如图2所示的典型马赫_曾德尔结构滤波器中，主要由分光比均为3dB的Y型 光波导构成，两干涉臂的长度分别SLpL2，其臂长差AL= I L1-L2I,则该滤波器的透射光 强P可表示为<formula>formula see original document page 3</formula>其中η为传输介质折射率，λ为入射光波的波长。由上式可以看出，该滤波器的
透射光谱是与传输介质的折射率η、两干涉臂臂长差AL有关的梳状光谱，如图3所示，其复
用波长间隔Δ λ、复用频率间隔Af可分别表示为 ；2<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 3</formula>其中c为真空中光速。对于固定波长的入射光波，其透射光强仅与传输介质的折 射率η和马赫-曾德尔结构的两干涉臂臂长差AL有关。基于硅基光波导折射率的温度敏 感特性，可使得滤波器的透射光谱发生漂移，滤波器的透射光强也将随之变化，本发明即利 用上述原理设计了一种基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感器。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器， 能够精确测量待测环境温度，抗干扰能力强，适用于恶劣的环境和大范围的温度测量。本发明提供一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射 光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括
一激光器；一 Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y 型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；
该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；一马赫-曾德尔波导结构，该马赫_曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。其中所采用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的单模激光器。其中所述的第一正锥、第二正锥和第三正锥为正锥结构或倒锥结构。其中Y型波导的分光比为3dB。其中马赫_曾德尔波导结构的两臂长差为厘米量级。其中第一功率计和第二功率计采用光功率计或光探测器。本发明与现有的技术相比具有的优点是利用硅基光波导的马赫-曾德尔结构 滤波器的透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，具有技术成熟、灵敏度高、选择性 高、使用范围广、尺寸小等优点。同时通过传感臂与参考臂出射光功率的比值来反映因温度 变化造成的透射光强的改变，增加了器件的抗干扰能力。通过入射光波长来选择入射光波 的偏置点，可增加传感器的敏感程度。由于该传感器的核心传感结构由硅基光波导构成，稳 定度很高，可适用于恶劣的环境和大范围的温度测量。


为进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合附图和实施例对本发明详细说明 如后，其中图1是本发明的结构示意图。图2是采用3dB Y型光波导构成的典型马赫_曾德尔结构滤波器示意图。图3是图2中所示滤波器的梳状透射光谱。图4是透射光波功率随温度的变化情况示意图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感 器，其是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，主要包括激光器1，Y型波 导2，第一功率计3，马赫-曾德尔波导结构4，第二功率计5等。所采用的激光器1可以是DFB激光器或DBR激光器等单模激光器。分光比为3dB 的Y型波导2的一端为入射波导21用以导入激光器1的入射光波，入射波导21的一端有 第一正锥211，该Y型波导2的第一正锥211通过光纤与激光器1连接以实现良好的耦合效率。该Y型波导2的另两端分为参考臂波导22和传感臂波导23将入射光波分为等强 度的两部分。该参考臂波导22与传感臂波导23之间的距离应该尽量小，则其他外部干扰和振动会同时作用在参考臂波导22和传感臂波导23上，引起相同的相位差，可大大提高了 器件的抗干扰能力。该Y型波导2的参考臂波导22的一端有第二正锥221，传感臂波导23 的一端有第三正锥231。上述的第一正锥211、第二正锥221和第三正锥231也可采用倒锥 结构来增加波导与光纤间的耦合效率(本发明的实施例中的第一正锥211、第二正锥221和 第三正锥231采用的是正锥结构)。第一功率计3通过光纤与参考臂波导22的第二正锥221连接，以探测参考臂波导 22的诱射光强，来监测丨激光器1 m射的光功率的夺化。
传感臂波导23将入射光波耦合进马赫_曾德尔波导结构4，该马赫-曾德尔波导 结构4的两臂长差为厘米量级并保持为常数。对于波长固定的入射光波，其透射光强将仅 由硅基光波导的折射率决定。如图4所示，入射光波的波长为λ ^，当温度为T1时，硅基光 波导的折射率为H1，马赫_曾德尔波导结构4的透射光谱如图4中实线所示，其透射的光功 率为P1 ；当温度变化为T2时，基于硅基光波导折射率的温度敏感性，其折射率变化为Ii2，马 赫-曾德尔波导结构4的透射光谱将发生漂移，如图4中的虚线所示，此时透射的光功率为 P2,因此可以通过监测马赫_曾德尔滤波器的透射光功率来反映温度的变化。马赫-曾德 尔波导结构4对入射光波进行滤波后，通过第三正锥231将光波耦合进光纤。第二功率计5通过光纤与传感臂波导23的第三正锥231连接，并测得经滤波后的 传感臂波导23的透射光强。通过第一功率计3和第二功率计5测得的透射光强的比值来 反映环境温度的变化，同时克服了激光器1自身功率抖动的影响。在整个装置中通过调节 激光器1的偏置电流调节激光器1的入射波长以选择合适的波长偏置点，可增加传感器对 温度的敏感程度。上述的第一功率计3和第二功率计5也可采用光探测器等。对于分光比为3dB的马赫-曾德尔波导结构4，其透射光强为
<formula>formula see original document page 5</formula>其光功率变化为
<formula>formula see original document page 5</formula>
对于硅基光波导，红外波段光波的折射率和温度T基本满足如下关系<formula>formula see original document page 5</formula>
上式即为光功率的相对变化量与温度的变化关系，测得第一功率计3和第二功 率计5光强的相对变化量可实现对温度的测量。同时由于硅基光波导热胀冷缩导致的马 赫_曾德尔波导结构4两臂长差的变化，可造成马赫_曾德尔波导结构4的透射光谱朝相 同方向漂移，增加了该传感器的灵敏度。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权 利要求保护范围之内。
权利要求
一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括一激光器；一Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；一马赫-曾德尔波导结构，该马赫-曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。
2.根据权利要求1所述的基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中所采 用的激光器是DFB激光器或DBR激光器的单模激光器。
3.根据权利要求1所述的基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中所述 的第一正锥、第二正锥和第三正锥为正锥结构或倒锥结构。
4.根据权利要求1所述的基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中Y型 波导的分光比为3dB。
5.根据权利要求1所述的基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中马 赫-曾德尔波导结构的两臂长差为厘米量级。
6.根据权利要求1所述的基于马赫_曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，其中第一 功率计和第二功率计采用光功率计或光探测器。
全文摘要
一种基于马赫-曾德尔结构的硅基光波导温度传感器，是利用其透射光谱对温度的敏感性来实现对温度的传感，包括一激光器；一Y型波导，该Y型波导的一端为入射波导，入射波导的一端有一第一正锥，该Y型波导的第一正锥通过光纤与激光器连接；该Y型波导的另两端分为参考臂波导和传感臂波导；该Y型波导的参考臂波导的一端有一第二正锥；该Y型波导的传感臂波导的一端有一第三正锥；一第一功率计，该第一功率计通过光纤与参考臂波导的第二正锥连接；一马赫-曾德尔波导结构，该马赫-曾德尔波导结构接入传感臂波导的中间；一第二功率计，该第二功率计通过光纤与传感臂波导的第三正锥连接。
文档编号G01K11/32GK101799334SQ20101011775
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者孙可, 张红广, 满江伟, 祝宁华, 谢亮, 陈伟, 韩威 申请人:中国科学院半导体研究所