Оптический датчик концентрации вещества

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в научном, технологическом и медицинском приборостроении в качестве точного измерителя концентрации веществ. Технической задачей полезной модели является увеличение достоверности и точности измерений величины концентрации веществ, при одновременном расширении функциональных возможностей. Поставленная техническая задача решается тем, что оптический датчик концентрации вещества, включающий источник излучения, первый кольцевой микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный с первым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным с первым входным преобразователем мод, содержит второй микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный со вторым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным со вторым входным преобразователем мод, первый разветвитель, вход которого оптически связан с источником излучения, а первый и второй выходы оптически связаны соответственно с первым и вторым входными преобразователями мод, второй разветвитель, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходными преобразователями мод, оптически связанными с первым и вторым выводящими щелевыми волноводами, оптически связанными соответственно с первым и вторым кольцевыми микрорезонаторами, третий разветвитель, вход которого оптически связан с выходом второго разветвителя, первый выход которого оптически связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника излучения, электрически связанной с блоком управляющего напряжения, а второй выход оптически связан с фотодетектором, электрически связанным с измеряющим устройством. Увеличение достоверности и точности измерений величины концентрации веществ при одновременном расширении функциональных возможностей достигается за счет преобразования информации о величине концентрации веществ в конечном счете во временной интервал между световыми сигналами соответствующими как точке отсчета, так и измеряемой величине.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в научном, технологическом и медицинском приборостроении в качестве точного измерителя концентрации веществ.

Известен оптический датчик концентрации вещества [1], который состоит из по крайней мере одной пары оптических каналов, первый оптический канал имеет верхнюю измерительную поверхность, находящуюся в контакте с образцом, второй оптический канал имеет верхнюю измерительную поверхность, находящуюся в контакте с эталонным образцом; источника света для ввода оптических пучков в пару оптических каналов; модулятор света; фазовый детектор для определения разности фаз между соответствующими оптическими пучками, проходящими по первому и второму каналам; модулятор света, представляет собой поляризационный модулятор.

Такой оптический датчик в реальных условиях не обеспечивает высокую достоверность и точность измерений вследствие его чувствительности к вибрациям и изменению температуры.

Наиболее близким по технической сущности является датчик концентрации вещества [2], который состоит из кольцевого микрорезонатора на основе щелевого волновода, расположенного на подложке из Si₃ N₄-SiО₂; подводящего щелевого волновода, полоскового волновода, источника излучения, перестраиваемого лазера, преобразователя мод, волоконного вращателя поляризации, объектива, поляризатора, фотодетектора, устройства контроля температуры

Такой оптический датчик в реальных условиях не обеспечивает высокую достоверность и точность измерений вследствие его чувствительности к изменению температуры.

Технической задачей полезной модели является увеличение достоверности и точности измерений величины концентрации веществ, при одновременном расширении функциональных возможностей.

Поставленная техническая задача решается тем, что оптический датчик концентрации вещества, включающий источник излучения, первый кольцевой микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный с первым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным с первым входным преобразователем мод, содержит второй микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный со вторым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным со вторым входным преобразователем мод, первый разветвитель, вход которого оптически связан с источником излучения, а первый и второй выходы оптически связаны соответственно с первым и вторым входными преобразователями мод, второй разветвитель, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходными преобразователями мод, оптически связанными с первым и вторым выводящими щелевыми волноводами, оптически связанными соответственно с первым и вторым кольцевыми микрорезонаторами, третий разветвитель, вход которого оптически связан с выходом второго разветвителя, первый выход которого оптически связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника излучения, электрически связанной с блоком управляющего напряжения, а второй выход оптически связан с фотодетектором, электрически связанным с измеряющим устройством.

Увеличение достоверности и точности измерений величины концентрации веществ при одновременном расширении функциональных возможностей достигается за счет преобразования информации о величине концентрации в конечном счете во временной интервал между световыми сигналами соответствующими как точке отсчета, так и измеряемой величине.

Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где

1 - источник излучения,

2 - первый разветвитель,

3, 8 - первый, второй входные преобразователи мод,

4, 9 - первый, второй подводящие щелевые волноводы,

5 - первый кольцевой микрорезонатор,

6, 11 - первый, второй выводящие щелевые волноводы,

7, 12 - первый, второй выходные преобразователи мод,

10 - второй кольцевой микрорезонатор,

13 - второй разветвитель;

14 - третий разветвитель;

15 - волоконно-оптическая брэгговская решетка;

16 - блок управляющего напряжения,

17 - фотодетектор,

18 - измеряющее устройство.

Устройство содержит оптически связанные источник излучения 1, первый разветвитель 2, первый выход которого оптически связан через первый входной преобразователь мод 3, первый подводящий щелевой волновод 4, первый кольцевой микрорезонатор 5, первый выводящий щелевой волновод 6, первый выходной преобразователь мод 7 с первым входом второго разветвителя 13, второй выход первого разветвителя 2 оптически связан через второй входной преобразователь мод 8, второй подводящий щелевой волновод 9, второй кольцевой микрорезонатор 10, второй выводящий щелевой волновод 11, второй выходной преобразователь мод 12 со вторым входом второго разветвителя 13, третий разветвитель 14, вход которого оптически связан с выходом второго разветвителя 13, первый выход оптически связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой 15, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника излучения 1, электрически связанной с блоком управляющего напряжения 16, второй выход третьего разветвителя 14 оптически связан с фотодетектором 17, электрически связанным с измеряющим устройством 18.

Источник света 1 выполнен в виде светодиода.

Первый 2 и второй 13 и третий 14 разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна, имеющих оптический контакт.

Первый 3, второй 8 входные преобразователи мод и первый 7, второй 12 выходные преобразователи мод выполнены в виде модовых конвертеров.

Первый 4, второй 9 подводящие щелевые волноводы и первый 6, второй 11 выводящие щелевые волноводы выполнены в виде линейных щелевых волноводов, которые представляют собой полоски из SiN высотой 300 нм, шириной 400 нм нанесенные на слой SiO ₂, расположенный на подложке из Si, а полоски разделены щелью шириной 200 нм как в[3, 4].

Первый 5 и второй 10 кольцевые микрорезонаторы выполнены в виде кольцевых щелевых волноводов с радиусом 32 мкм для длины волны оптического излучения 1550 нм, с шириной внутренней полоски 400 нм, внешней - 500 им, расположенных на подложке из Si₃N₄-SiO ₂.

Волоконно-оптическая брэгговская решетка 15 выполнена в виде отрезка электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами.

Блок управляющего напряжения 16 выполнен из тактового генератора МСК155АГ3, счетчика МСК155ИЕ5 и преобразователя код-напряжение МСКР572ПА2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения на микросхемах.

Фотодетектор 17 выполнен на базе фотодиода ФД21КП.

Измеряющее устройство 18 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416УД1, тригеров КР1531ТМ2, коммутатора КР1010КТ1, схемы запуска частотомера, сброса тригеров и управления коммутатором, собранной на ИС К 155 АГ.

Оптический датчик электрического напряжения работает следующим образом.

В исходном состоянии световое излучение от источника излучения 1 поступает на первый разветвитель 2, где делится на два равных по амплитуде и спектральному составу световых потока. Один световой поток с первого выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно первый входной преобразователь мод 3, поступает в первый подводящий щелевой волновод 4. Второй световой поток со второго выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно второй входной преобразователь мод 8, поступает во второй подводящий щелевой волновод 9. Излучение с длиной волны соответствующей резонансной длине волны первого 5 и второго 10 кольцевых микрорезонаторов будет ответвляться из первого 4 и второго 9 подводящих щелевых волноводов, соответственно, через первый 5 и второй 10 кольцевые микрорезонаторы в первый 6 и второй 11 выводящие щелевые волноводы. В этом случае в первом 6 и втором 11 выводящих щелевых волноводах будем иметь излучение с одинаковым спектральным составом. Эти два потока излучения, пройдя, через второй 13 и третий 14 разветвители поступают на вход волоконно-оптической брэгговской решетки 15, через которую они проходят не испытывая отражения, так как спектральный максимум ее отражения находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света 1. Поэтому свет не испытывая отражения выводится из оптической системы и не поступает на фотодетектор 17.

В тестовом режиме, при подаче с блока управляющего напряжения 16, на управляющий электрод волоконно-оптическая брэгговской решетки 15 управляющего пилообразного напряжения происходит изменение показателя преломления n в электрооптическом материале, в котором сформирована брэгговская решетка, по закону:

,

где n₀ - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптнческом мателиале, U - приложенное напряжение, d - расстояние между управляющими электродами волоконно-оптической брэгговской решетки 15, r₃₃ - электрооптический коэффициент. Изменение показателя преломления n приводит к изменению длины световой волны (брэгговской длины волны), при которой отражение от волоконно-оптической брэгговской решетки 15 максимально. Зависимость брэгговской длины волны от показателя преломления решетки имеет вид:

,

где - период волоконно-оптической брэгговской решетки 15. Световое излучение от источника излучения 1 поступает на первый разветвитель 2, где делится на два равных по амплитуде и спектральному составу световых потока. Один световой поток с первого выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно первый входной преобразователь мод 3, поступает в первый подводящий щелевой волновод 4. Второй световой поток со второго выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно второй входной преобразователь мод 8, поступает во второй подводящий щелевой волновод 9. Излучение с длиной волны соответствующей резонансной длине волны первого 5 и второго 10 кольцевых микрорезонаторов будет ответвляться из первого 4 и второго 9 подводящих щелевых волноводов, соответственно, через первый 5 и второй 10 кольцевые микрорезонаторы в первый 6 и второй 11 выводящие щелевые волноводы. В этом случае в первом 6 и втором 11 выводящих щелевых волноводах будем иметь излучение равной интенсивности и с одинаковым спектральным составом. Эти два потока излучения, пройдя, через первый 7 и второй 12 выходные преобразователи мод, через второй 13 и третий 14 разветвители поступают на вход волоконно-оптической брэгговской решетки 15, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение позволяющее сканировать весь рабочий спектральный диапазон излучения источника излучения 1. При сканировании в результате дифракции света на волоконно-оптической брэгговской решетке 15 в обратном направлении через третий разветвитель 14 на фотодетектор 17 поступает световой сигнал, обладающий спектральным составом излучения соответствующим спектральному распределению произведения суммарного коэффициента пропускания первого 5 и второго 10 кольцевых микрорезонаторов и коэффициента отражения волоконно-оптической брэгговской решетки 15. Поэтому, середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать нулевому значению величины измеряемого изменения величины показателя преломления, а его ширина будет определять точность измерения. Фотодетектор 17 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 18 осуществляет измерение необходимых временных параметров, поступающих электрических сигналов.

В режиме измерения, при подаче измеряемого вещества на щелевой волновод первого кольцевого микрорезонатора 5 оно заполняет щель первого кольцевого микрорезонатора 5 и окружающее его пространство. Показатель преломления вещества зависит от концентрации. В результате изменяются направляющие свойства (волноводный показатель преломления) щелевого волновода первого кольцевого микрорезонатора 5. Это приводит к изменению резонансных условий и резонансной длины волны первого кольцевого микрорезонатора 5. А, следовательно, к соответствующему смещению спектрального максимума пропускания первого кольцевого микрорезонатора 5. Световое излучение от источника излучения 1 поступает на первый разветвнтель 2, где делится на два равных по амплитуде и одинаковых по спектральному составу световых потока. Один световой поток с первого выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно первый входной преобразователь мод 3, поступает в первый подводящий щелевой волновод 4. Второй световой поток со второго выхода первого разветвителя 2, пройдя, последовательно второй входной преобразователь мод 8, поступает во второй подводящий щелевой волновод 9. Излучение с длиной волны соответствующей резонансной длине волны первого 5 и второго 10 кольцевых микрорезонаторов будет ответвляться из первого 4 и второго 9 подводящих щелевых волноводов, соответственно, через первый 5 и второй 10 кольцевые микрорезонаторы в первый 6 и второй 11 выводящие щелевые волноводы. В этом случае в первом 6 и втором 11 выводящих щелевых волноводах мы будем иметь излучение с разным спектральным составом. Эти два потока излучения, пройдя, соответственно через первый 7 и второй 12 выходные преобразователи мод, через второй 13 и третий 14 разветвители поступают на вход волоконно-оптической брэгговской решетки 15. На ее управляющий электрод с блока управляющего напряжения 16 подается пилообразное напряжение позволяющее сканировать весь рабочий спектральный диапазон излучения источника излучения 1. При сканировании, в результате дифракции света на волоконно-оптической брэгговской решетке 15, в обратном направлении через третий разветвитель 14 на фотодетектор 17 поступают сдвинутые во времени два световых сигнала, обладающие спектральным составом излучения соответствующим спектральному распределению произведения суммарного коэффициента пропускания первого 5 и второго 10 кольцевых микрорезонаторов и коэффициента отражения волоконно-оптической брэгговской решетки 15. Длительность измеренного спектра излучения за минусом времени регистрации спектра нулевого сигнала будет определять величину измеряемого изменения показателя преломления, которое в свою очередь определяет концентрацию вещества. Фотодетектор 17 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 18 осуществляет измерение необходимых временных параметров, поступающих электрических сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аналог Патент США 6330064 Дважды дифференциальный интерферометр и метод для определения поверхности спадающих волн},.

2. Прототип (С.А.Barrios, K.B.Gylfason, В.Sanchez, A.Griol, H.Sohlstrom, М.Holgado, R.Casquel. Slot-waveguide biochemical sensor. Optics Letters. 2007. Vol.32, No.21. P.3080-3082).

3. V.R.Almeida, Q.Xu, С.А.Barrios, М.Lipson. Guiding and confining light in void nanostructure. Optics Letters. 2004. Vol.29, No.11. P.1209-1211.

4. Q.Xu, V.R.Almeida, R.R.Panepucci, М. Lipson. Experimental demonstration of guiding and confining light in nanometer-size low-refractive-index material. Optics Letters. 2004. Vol.29, No.14. P.1626-1628.

Оптический датчик концентрации вещества, включающий источник излучения, первый кольцевой микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный с первым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным с первым входным преобразователем мод, отличающийся тем, что содержит второй микрорезонатор на основе щелевого волновода, оптически связанный со вторым подводящим щелевым волноводом, оптически связанным со вторым входным преобразователем мод, первый разветвитель, вход которого оптически связан с источником излучения, а первый и второй выходы оптически связаны соответственно с первым и вторым входными преобразователями мод, второй разветвитель, первый и второй входы которого оптически связаны соответственно с первым и вторым выходными преобразователями мод, оптически связанными с первым и вторым выводящими щелевыми волноводами, оптически связанными соответственно с первым и вторым кольцевыми микрорезонаторами, третий разветвитель, вход которого оптически связан с выходом второго разветвителя, первый выход которого оптически связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника излучения, электрически связанной с блоком управляющего напряжения, а второй выход оптически связан с фотодетектором, электрически связанным с измеряющим устройством.