阅读说明：本技术 一种双波导耦合snap结构微腔阵列的位移传感系统 (Displacement sensing system of double-waveguide coupling SNAP structure microcavity array ) 是由 董永超 陈剑 孙鹏辉 赵泽政 王晗 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统,包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器及计算机。可调谐激光器产生的扫频激光,经过偏振控制器和耦合波导进入SNAP结构微腔阵列,经光电探测器对输入光波信号进行探测后,输出给计算机,经处理后测得位移量。当SNAP结构微腔阵列相对于两个耦合波导移动时,谐振谱中各谐振模式的特征参数将发生规律性变化。通过使用其中一个耦合波导的光波信号可实现半个SNAP结构长度的位移量的精密测量。通过切换使用两根耦合波导的信号可达到全范围位移的测量。因此,本发明具有大量程、高分辨率、体积小、制作简单、成本低等优点。(The invention discloses a displacement sensing system of a double-waveguide coupling SNAP structure microcavity array, which comprises a tunable laser, a polarization controller, a double-coupling waveguide, an SNAP structure microcavity array, a displacement device, a photoelectric detector and a computer. Sweep-frequency laser generated by a tunable laser enters the SNAP structure microcavity array through the polarization controller and the coupling waveguide, an input optical wave signal is detected by the photoelectric detector and then output to a computer, and displacement is measured after processing. When the SNAP structure microcavity array moves relative to the two coupling waveguides, the characteristic parameters of each resonance mode in the resonance spectrum change regularly. By using the light wave signal of one of the coupling waveguides, precise measurement of the displacement of half the length of the SNAP structure can be achieved. Full range displacement measurement can be achieved by switching the signals using two coupled waveguides. Therefore, the invention has the advantages of wide range, high resolution, small volume, simple manufacture, low cost and the like.)

一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种双波导耦合SNAP(SurfaceNanoscale Axial Photonics，表面纳米轴向光子)结构微腔阵列的位移传感系统。

背景技术

位移传感系统在超精密加工、高精度测量等众多领域扮演着重要的作用，现有较成熟并应用广泛的位移传感测量系统有光栅尺、磁栅尺、激光测距系统以及基于特定物理量传感效应实现的各类测量头等，它们在满足工业现场多种测量需求的同时，也有着各自的限制。因此，为满足一些特定应用场合的需求，开发新型的位移传感技术一直是关注热点。

回音壁模式微腔是近二十年被广泛研究的一种光学器件，其极高的Q值使得它在传感领域具备极高的灵敏度。基于微腔的位移传感器件可以实现亚微米的分辨率，具有体积小、易于集成化的优势，给微小结构测量提供了一种很好的选择。微腔位移传感的常用实现方式是通过检测谐振谱中谐振模式中心波长的偏移来实现，但由于中心波长容易受仪器稳定性、环境因素等的影响，难以在实际环境中实现稳定的传感测量。SNAP结构微腔具备规律的谐振谱，综合利用多个谐振模式的Q值或透过率可以实现高分辨率位移的传感，具备较高的稳定性。但是，由于单个SNAP结构微腔的轴向长度范围有限，一般只有几百个微米，且单波导耦合只能保证半个SNAP结构长度的位移测量，因此无法实现大范围的位移传感。因此，为了提高基于SNAP结构微腔的位移传感性能，实现高分辨率、大量程的传感测量，需要开发一种新型的位移传感方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，该系统基于多个谐振模式的Q值或透过率变化规律，利用单波导耦合SNAP结构微腔，可以实现半个SNAP结构长度的位移传感特性。该系统使用双耦合波导和SNAP结构微腔阵列实现位移传感，通过合理布置双耦合波导的空间位置与SNAP结构微腔阵列中的不同微腔进行耦合，交替使用两个耦合波导获取的透射谱，实现SNAP结构微腔阵列范围内的位移传感。该方法在保证高分辨率的同时，可以实现大量程的位移传感测量，同时具有体积小、制作成本低的优势。

具体的，本发明所提供的位移传感系统主要包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器及计算机。所述可调谐激光器与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器与所述双耦合波导相连，所述双耦合波导与所述光电探测器相连，所述光电探测器的输出端与计算机的数据输入端口相连，所述SNAP结构微腔阵列固定在所述位移装置上，所述位置装置设置在移动平台上。

其中，所述可调谐激光器产生两路波长可调谐的激光并输入到光纤中；所述偏振控制器调整光波的偏振态并送入双耦合波导；所述双耦合波导分别与两个不同区域的SNAP结构微腔耦合，形成两个耦合单元，满足谐振条件的光波通过倏逝场耦合进两SNAP结构微腔中；所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号，从而获取两耦合单元的谐振谱；所述SNAP结构微腔阵列是传感系统的核心器件，决定谐振光波信号特征；所述位移装置用于调整微腔阵列相对于两个耦合波导的相对位置，使得SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生移动，改变SNAP结构微腔与双耦合波导的耦合位置，以改变SNAP结构微腔内谐振模式的Q值及透过率。

进一步的，所述双耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、平面波导、研磨倾角光纤或者光纤光栅。

进一步的，所述SNAP结构微腔阵列上的每个SNAP结构都是回音壁微腔，每个SNAP结构具有相同的轴向长度和有效半径变化量，SNAP结构的纵向截面形状可以是抛物线形、高斯曲线形或者梯形。

进一步的，所述双耦合波导平行放置，两者之间间隔(N+1/2)倍的单SNAP结构轴向长度，其中N为正整数。

进一步的，所述双耦合波导在工作过程中始终与SNAP结构微腔阵列保持接触。

进一步的，所述SNAP结构微腔阵列利用电弧放电、二氧化碳激光或者紫外光作用在均匀光纤上获得，所述SNAP结构微腔阵列中单个SNAP结构的轴向长度为0.5～1.5mm，有效半径变化量为10～100nm，阵列数目可依据实际需要确定，不设限。

本发明还公开了一种基于双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统的实现方法，该方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：从可调谐激光器中发出的激光经偏振控制器作用后输入双耦合波导，耦合波导中的光波经过SNAP结构微腔后，通过光电探测器转换为电信号并送入计算机处理。

步骤S2：当位移装置沿一定方向移动时，SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生位移改变。相应地，两耦合单元对应谐振谱中的各轴向模式的Q值或透过率将会发生变化，且每经过半个SNAP结构轴向长度的距离后，两谐振谱将彼此周期性复现。综合利用单谐振谱的多个轴向模式，可以实现半个SNAP结构长度内的位移传感。

步骤S3：以谐振谱中的偶数阶模式消失为切换信号，交替使用两耦合波导的谐振谱数据，实现对SNAP结构微腔阵列全范围位移的测量。

本发明的工作过程和原理是：由于谐振模式的耦合强度由其微腔模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，因此，对于单个SNAP结构微腔与单波导组成的耦合单元，SNAP结构微腔各轴向模式的场分布规律决定了耦合位置对谐振谱的影响规律。当位移导致耦合位置改变时，对应的谐振谱中各轴向模式的Q值或透过率发生变化，综合利用多阶轴向模式Q或透过率的变化规律，可以实现高精度位移传感。但由于SNAP结构在轴向上关于中心点对称，因此，单个耦合单元只能实现半个SNAP结构长度的位移传感。通过在光纤上制备出SNAP结构微腔阵列，并使用双耦合波导与其上的不同SNAP结构微腔发生耦合，可以构成两个耦合单元。当SNAP结构微腔阵列移动时，两个谐振谱均发生规律性改变，通过信号切换，交替使用两个耦合单元产生的谐振谱信号，可以实现SNAP结构微腔阵列全范围的位移传感。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统可实现高分辨率、大量程的位移测量，解决了单SNAP结构微腔由于轴向长度较小而无法实现大量程测量的缺点。

(2)本发明所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，其核心部件SNAP结构微腔阵列体积小、制作简单、成本低廉且适用于微结构测量场合。

(3)本发明所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统能够均化误差，具备较强的抗噪声信号干扰能力。

附图说明

图1是本发明所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统的结构示意图。

图2是本发明所提供的SNAP结构微腔阵列与双耦合波导的装配示意图。

图3(a)和图3(b)是本发明所提供的SNAP结构微腔阵列处在六个不同位置时的双耦合波导对应输出的谐振谱图。

图4(a)和图4(b)是本发明所提供的双耦合波导输出谱中前8阶轴向模式的透过率随SNAP结构微腔阵列轴向位移的变化曲线图。

上述附图中的标号说明：

1-可调谐激光器，2-偏振控制器，3-双耦合波导，4-SNAP结构微腔阵列，5-位移装置，6-光电探测器，7-计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例公开了一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，为了更清楚地表达出系统的具体工作原理，图中所有器件的尺寸均不遵从实际比例，特此说明。该系统包括可调谐激光器1、偏振控制器2、双耦合波导3、SNAP结构微腔阵列4、位移装置5、光电探测器6和计算机7。其中，可调谐激光器1产生连续、波长可调谐的激光并输入光纤中；偏振控制器2控制光纤中光波的偏振态；双耦合波导3与SNAP结构微腔阵列4中的两个不同SNAP结构微腔构成两个耦合单元；位移装置5用于固定SNAP结构微腔阵列4，通过位移改变双耦合波导相对于SNAP结构微腔阵列的耦合位置，以改变耦合的效果；光电探测器6用于将双耦合波导中输出的光波信号转换为电信号，获取耦合波导输出的谐振谱；计算机7对谐振谱数据进行处理，实现位移传感。SNAP结构微腔阵列4是系统的核心器件，用来对连续波长的光波进行选频。

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；双耦合波导3为锥腰直径约2的锥形光纤，通过氢氧火焰法拉制单模光纤获得；SNAP结构微腔阵列4通过二氧化碳激光加工获得，阵列数为4，其轴向长度约400。系统工作过程中，双耦合波导3与SNAP结构微腔阵列4保持接触，以提高耦合系统的稳定性。从可调谐激光器1中发出的激光经耦合波导3进入SNAP结构微腔阵列4中，满足谐振条件的特定波长的光波在微腔内形成谐振。谐振谱中的模式特征参数(Q值或透过率)受耦合条件(即微腔耦合位置)的影响。当位移装置5使SNAP结构微腔阵列4产生位移时，两个耦合波导对应输出的谐振谱中的各轴向模式特征参数会发生变化，通过对特征参数进行二进制编码，可建立位移与谐振谱特征参数之间的映射关系。基于此映射关系，能够实现SNAP结构微腔阵列4的轴向位移传感。在保证SNAP结构微腔阵列4加工质量的前提下，该位移传感系统的分辨率和量程分别由各模式的场分布特征和微腔阵列数目决定。

图2所示的是本实施例中的SNAP结构微腔阵列4与双耦合波导3的装配示意图，两波导之间相差1.5倍SNAP结构长度。这样设置间距是为了避免重复编码而导致读数错误；同时为了避免两个耦合波导之间相互影响耦合，二者之间的间距需要超过单个SNAP结构的长度，更广的，可设置成(N+0.5)倍SNAP结构长度，N为正整数。通过这样设置两波导的间距，使得两者输出的谐振光波信号以半个SNAP结构长度为周期交替重复出现，同时便于找到合适的切换信号。

图3所示的是本实施例中的耦合波导301、302在SNAP结构微腔阵列移动半个SNAP结构长度时对应的6个不同位置a、b、c、d、e、f处的谐振谱图。图3中(a)为SNAP结构微腔阵列4与耦合波导301在这6个位置的谐振谱图，(b)为SNAP结构微腔阵列4与耦合波导302在这6个位置的谐振谱图，谐振谱图中8个波谷代表SNAP结构微腔的前8阶轴向模式。由于耦合波导间距为1.5倍SNAP结构长度，因此两者在这6个位置的输出光波信号顺序相反。微腔耦合理论表明，谐振模式的特征参数由耦合系数决定，而耦合系数由该模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，因此，各轴向模式的场分布决定了其Q值或透过率随耦合位置的变化特性。从图3中可以看出，在不同耦合位置，各谐振模式的Q值和透过率均不相同，且具有一定规律性。由此可知，SNAP结构微腔阵列的阵列数量决定了传感系统的量程，而谐振模式特征参数随位移的变化灵敏度决定了传感系统的分辨率。

图4所示是本实施例中的SNAP结构微腔阵列4以图2所示初始状态移动半个SNAP结构长度时，双耦合波导获取的谐振谱的前8阶轴向模式透过率与位移之间的关系曲线，其中图4(a)对应耦合波导301，图4(b)对应耦合波导302。对于波导301对应的耦合单元，SNAP结构微腔阵列的位移等效为耦合波导301从SNAP结构微腔端部移动到中心；对于波导302对应的耦合单元，SNAP结构微腔阵列的位移等效为耦合波导302从SNAP结构微腔中心移动到端部。因此，从图4(a)和图4(b)的对比中，曲线表现出变化相反的趋势，且在SNAP结构微腔中心时，所有偶数阶模式透过率为1，此特征可以作为两路信号切换的依据。另外，图4中还可以看出，随着模式阶数的提高，透过率变化周期增多，可以使得高灵敏度传感区域更密集，因此采用的轴向模式越多，可实现的位移传感灵敏度越高且可靠性越高。

实施例2：

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；双耦合波导3为研磨倾角光纤，通过对常规光纤端面进行高精度的研磨获得；SNAP结构微腔阵列4上的单个SNAP结构微腔通过电弧放电加工获得，其轴向长度约300，径向呈高斯曲线形，最大半径变化约15nm，阵列数为50。

实施例3

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；双耦合波导3为平面波导；SNAP结构微腔阵列4上的单个微腔通过紫外线激光加工获得，其轴向长度约400，径向呈类梯形，最大半径变化约10nm，阵列数为20。

综上所述，本发明提出了一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，该系统基于SNAP结构微腔的模式场分布和模式谱结构特点，利用位移改变会引起SNAP结构微腔的各轴向模式特征参数改变的特性，通过测量谐振谱中各模式的Q值或透过率并处理，实现半个SNAP结构长度位移的传感；通过设置双耦合波导并使两个耦合波导相距(N+0.5)倍SNAP结构长度，其中N为正整数，分别与两不同SNAP结构区域构成两个耦合单元，以SNAP结构微腔中心耦合位置的谐振谱特征作为切换点实现两个谐振信号的相互切换，实现全范围SNAP结构微腔阵列的位移测量功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。