EA201492196A1 20150430 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2015\PDF/201492196 Полный текст описания [**] EA201492196 20130606 Регистрационный номер и дата заявки EP12171002.4 20120606 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок EP2013/061701 Номер международной заявки (PCT) WO2013/182643 20131212 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [pdf] eaa21504 Номер бюллетеня [**] ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Название документа [8] G01L 11/02, [8] G01L 1/24 Индексы МПК [DK] Рек Каспер, [DK] Эстергорд Христиан, [DK] Хансен Оле, [DK] Томсен Эрик Вилаин Сведения об авторах [DK] ТЕКНИКАЛ ЮНИВЕРСИТИ ОФ ДЕНМАРК Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea201492196a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Настоящее изобретение относится к полностью оптическому датчику, использующему модуляцию эффективного показателя преломления волновода и обнаружение сдвига длины волны отраженного света, и к силоизмерительной системе, содержащей указанный оптический датчик. Один вариант реализации настоящего изобретения относится к системе с датчиками, содержащей по меньшей мере один многомодовый источник света, один или больше оптических датчиков, содержащих многомодовый волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, по меньшей мере один передающий оптический волновод для направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к указанным одному или больше многомодовым волноводам оптического датчика, датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше многомодовых волноводах оптического датчика, процессор данных, выполненный с возможностью анализа изменений Брэгговской длины волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Настоящее изобретение относится к полностью оптическому датчику, использующему модуляцию эффективного показателя преломления волновода и обнаружение сдвига длины волны отраженного света, и к силоизмерительной системе, содержащей указанный оптический датчик. Один вариант реализации настоящего изобретения относится к системе с датчиками, содержащей по меньшей мере один многомодовый источник света, один или больше оптических датчиков, содержащих многомодовый волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, по меньшей мере один передающий оптический волновод для направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к указанным одному или больше многомодовым волноводам оптического датчика, датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше многомодовых волноводах оптического датчика, процессор данных, выполненный с возможностью анализа изменений Брэгговской длины волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.


ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ
Настоящее изобретение относится к полностью оптическому датчику, 5 использующему модуляцию эффективного показателя преломления волновода и измерение сдвига длины волны отраженного света, и к силоизмерительной системе, содержащей указанный оптический датчик.
Уровень техники
Датчик представляет собой устройство, измеряющее определенную физическую величину, имеющую отношение к окружающей датчик среде, посредством одного или больше измерительных приспособлений, преобразующих физическую величину в специфический для данного датчика выходной сигнал.
15 Известные примеры часто используемых датчиков включают термометры, спидометры, микрофоны, вольтметры, радары и сейсмометры. Подмножество общей концепции датчиков представляют собой механические датчики, измеряющие некоторое свойство, связанное с классической механикой, например, ускорение, давление и напряжение, и которые должны быть отличны от датчиков,
20 используемых для, например, биологических, медицинских и химических измерений. Большинство современных механических датчиков выполнено с использованием технологии микроэлектромеханической системы (MEMS), поскольку микроэлектромеханическая система обеспечивает возможность использования малогабаритных датчиков и недорогого массового производства. С
25 развитием технологии микроэлектромеханических систем и появлением микрооптических технологий измерения широкое распространение получил расширенный термин "микрооптоэлектромеханическая система" (MOEMS). Микрооптоэлектромеханическая система обеспечивает возможность использования намного более универсальных конструкций датчиков и измерения
30 величин в более труднодоступных окружающих средах по сравнению с ранее используемыми технологиями.
Полностью оптические датчики обладают совокупностью преимуществ, делающих их интересными для расширенного диапазона применений, такие как
низкие потери при передаче в оптоволокне, что обеспечивает возможность дистанционного зондирования. Однако, по сравнению с обширным количеством существующих в настоящее время электрических и оптоэлектрических датчиков, полностью оптические датчики сейчас занимают маленькую нишу, поскольку 5 большинство полностью оптических датчиков не может в целом конкурировать с их электрическими аналогами, когда речь идет о чувствительности, динамическом диапазоне или цене.
В настоящее время наиболее распространен полностью оптический датчик с модулированием частоты, выполненный в виде датчика с волоконной решеткой
10 Брэгга, в котором деформация решетки Брэгга использована для модулирования сигнала. Несмотря на то, что волоконные решетки Брэгга успешно использовались в различных областях, они обладают недостатками, включая большой физический размер, низкую чувствительность, строгие ограничения при выборе материалов и структуры компонентов, а также недостатки при массовом производстве.
15 Изобретатели ранее предложили новый высокочувствительный полностью оптический датчик давления для аудиомикрофона, изготовленного с использованием технологии микроэлектромеханической системы. Устройство измерения основано на изменении эффективного показателя преломления антирезонансного отражательного оптического волновода с полой сердцевиной,
20 содержащего решетку Брэгга. Посредством изменения эффективного показателя преломления, а не периода решетки, обеспечена возможность резко улучшенной чувствительности. Чувствительность может быть на порядки выше, чем в волоконных решетках Брэгга и при сопоставимой технологии микроэлектромеханических систем.
Раскрытие изобретения
Для достижения необходимой чувствительности датчика давления для аудиомикрофона изобретатели разработали весьма сложную конструкцию 30 волновода. Однако, даже при использовании технологии микроэлектромеханических систем эти волноводные конструкции оказалось труднореализуемыми на практике, так что снижение потерь при соединении не было обеспечено. Следовательно, для реализации потенциала полностью оптических датчиков могут быть необходимы другие конструкции волноводов.
Однако, изобретатели обнаружили новый способ резкого улучшения чувствительности полностью оптических датчиков. В настоящее время полагают предпочтительным, чтобы только основная мода света распространялась в волноводе, и таким образом анализируют отражения только этой основной моды. 5 В научном сообществе моды более высокого порядка полагают нежелательными, поскольку ими труднее управлять.
Но авторы настоящего изобретения обнаружили, что моды более высокого порядка действительно необходимы для использования, связанного с измерениями. В целом моды более высокого порядка обладают более высокими
10 пространственными вариациями, чем моды низкого порядка. В многомодовых волноводах, содержащих решетку Брэгга, несколько различных пиков будут отражены от решетки вследствие отражения каждой моды и связи между модами. Поскольку формы отдельных мод различны по своему пространственному распределению, их перекрытие с решеткой как правило различно. Различие в
15 перекрытии моды с решеткой для различных мод видно в изменении Брэгговской длины волны отдельных мод при изменении размеров волновода, то есть чувствительность длины волны к размерам волновода зависит от моды. Обнаружив предпочтительность мод более высокого порядка для приложений, связанных с измерениями, изобретатели дополнительно обнаружили, что высокая
20 чувствительность может быть получена для весьма простых конструкций волноводов. Первая особенность настоящего изобретения относится к оптическому датчику для силоизмерительной системы, включающий волновод, содержащий несплошную сердцевину, предназначенную для удержания света, по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель и по меньшей мере
25 один отклоняющий элемент, обеспечивающий возможность изменения геометрии и/или размера волновода при воздействии на него силы, например, силы, вызванной ускорением, давлением, смещением, напряжением и т.д. Поскольку измерение может быть основано на распространении и отражении моды высокого порядка, например, при использовании света от многомодового источника света,
30 волновод может обладать здесь простой геометрией в виде плоскости или полосы, что сильно отличает этот оптический датчик от известных больше сложных конструкций.
Изменение геометрии и/или размера сердцевины в большинстве случаев представляет собой следствие изменения геометрии и/или размера волновода.
Например, отклоняющий элемент образует часть волновода и при перемещении отклоняющего элемента происходит изменение геометрии и/или размера волновода. Таким образом, изменение геометрии и/или размера волновода или сердцевины может быть использовано здесь взаимозаменяемо. Упомянутые 5 здесь волноводы содержат одну или больше сердцевин, обычно одну сердцевину. Удержание света в волноводе обычно имеет место в сердцевине и, таким образом, распространение света в волноводе неявно означает распространение света в сердцевине. Таким образом, термины "распространение света в волноводе и сердцевине" используют здесь взаимозаменяемо. Кроме того, 10 подразумевается, что по меньшей мере один из распределенных Брэгговских отражателей по меньшей мере частично расположен в несплошной сердцевине волновода.
Другой вариант реализации настоящего изобретения предназначен для использования этого оптического датчика в силоизмерительной системе. Еще 15 один вариант реализации настоящего изобретения предназначен для силоизмерительной системы, содержащей вышеупомянутый оптический датчик.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения использует новые возможности измерения на основе моды высокого порядка, посредством описания системы с датчиками, содержащей по меньшей мере один источник света, один
20 или больше оптических датчиков, включающих волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, указанный волновод оптического датчика, выполненный для направления по меньшей мере одной световой моды высокого порядка от указанного по меньшей мере одного источника света, по меньшей мере один передающий оптический волновод для
25 направления света от указанного по меньшей мере одного источника света в указанные один или больше волноводов оптического датчика, датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше волноводах оптического датчика, и процессор данных, предназначенный дли анализа изменений Брэгговской длины волны для
30 указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка в отраженном свете. Соответственно, настоящее изобретение также относится к системе с датчиками, содержащей по меньшей мере один источник света, один или больше оптических датчиков, включающих многомодовый волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, по меньшей мере один передающий
оптический волновод для направления света от указанного по меньшей мере одного источника света в указанные один или больше волноводов оптического датчика, датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше волноводах оптического датчика, и 5 процессор данных, предназначенный дли анализа изменений в Брэгговской длине волны для указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка в отраженном свете.
С учетом того, что измерение на основе моды высокого порядка представляет собой способ повышения чувствительности, настоящий
10 патентоспособный подход может также быть использован для улучшения известных оптических датчиков, способных направлять по меньшей мере одну моду высокого порядка. Таким образом, еще один вариант реализации настоящего изобретения относится к способу улучшения чувствительности системы с датчиками, содержащей по меньшей мере один волновод оптического
15 датчика, подходящий для направления по меньшей мере одной световой моды высокого порядка, причем указанный способ включает этап анализа множества сигналов, отраженных от системы оптического датчика для измерения изменения Брэгговских длин волн указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка в отраженном свете. Таким образом один вариант реализации настоящего
20 изобретения относится к способу улучшения чувствительности системы с датчиками, содержащей по меньшей мере один многомодовый волновод оптического датчика, в котором происходит распространение многомодового света, причем указанный способ содержит этап анализа множества сигналов, отраженных от системы с оптическими датчиками, для измерения изменения
25 Брэгговских длин волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного многомодового света.
Изобретатели ранее провели подробное исследование оптических датчиков, основанных на волноводах с полыми сердцевинами. Эти публикации включают
Kasper Reck: "Микроэлектромеханическая система для систем с
30 оптическими датчиками", Ph.D. Thesis (2011)
Christian 0stergaard: Микроэлектромеханическая система для оптических датчиков напряжения, основанных на волноводах с полой сердцевиной с интегральными решетками Брэгга", M.Sc. Thesis (2011).
Mette Funding la Cour и S0ren Vang Fischer: "Конструкция и изготовление оптического микрофона на основе микроэлектромеханической системы", M.Sc. Тезис (2011).
Подробности теоретических основ, подробности конструкции и изготовления 5 волноводов оптических датчиков могут быть найдены в этих публикациях, которые, следовательно, включены во всей их полноте в настоящую заявку посредством ссылки.
Один вариант реализации настоящего изобретения выполнен в виде датчика, основанного на концепции модуляции эффективного показателя
10 преломления вследствие изменения геометрии волновода. Это изменение геометрии обычно происходит вследствие силы, действующей на датчик. Эта сила может, например, возникать вследствие давления (например, звука, как в микрофоне), силы, смещения, напряжения, температуры, ускорения, скорости, вращения, крутящего момента, потока текучей среды и т.п. Таким образом, при
15 указании на силоизмерительную систему она включает систему для измерения любого из вышеупомянутых источников силы.
Несмотря на то, что два датчика, например, акселерометр и датчик напряжения, могут быть основаны на одном и том же принципе измерения (например, пьезорезистивное или емкостное измерение), обычно такие датчики
20 рассматривают как различные типы датчиков. Это происходит прежде всего вследствие различий при фактическом осуществлении различных типов датчиков (например, с использованием ускоряемой массы или нет). Таким образом, настоящее изобретение включает все датчики и относится ко всем датчикам, основанным на этой концепции модуляции эффективного показателя
25 преломления вследствие изменения геометрии волновода, не ограничено причиной изменения геометрии и, таким образом, включает любой тип датчика, для которого определенная измеримая величина может быть связана с изменением геометрии сердцевины волновода и посредством этого с модуляцией эффективного показателя преломления.
30 При рассмотрении изменений геометрии в сердцевине волновода термин
"изменение геометрии" включает как изменение формы (например, от круговой к прямоугольной), так и изменение геометрических размеров (например, увеличение размера при прямоугольной геометрии до, например, двойного начального размера).
Существующие волноводы и оптические датчики могут быть изготовлены с использованием технологии микроэлектромеханических систем. При распространении оптического излучения наиболее подходящим для использования материалом является кремний. Однако, существующие волноводы 5 и оптические датчики могут также, по меньшей мере частично, быть выполнены из металлов, полимеров, керамики или любой комбинации этих материалов, также включающей кремний.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1а показывает принцип работы волоконной решетки Брэгга,
фиг. 1Ь показывает перспективный вид волновода (пластинчатый волновод) 15 оптического датчика в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 1с показывает принцип работы решетки Брэгга в полом волноводе,
фиг. 1d показывает сдвиг Брэгговской длины волны в результате изменения размера сердцевины волновода по фиг. 1Ь,
фиг. 2 показывает пример пространственного удержания основной моды и 20 моды высокого порядка, распространяющихся в волноводе, содержащем решетку Брэгга,
фиг. За показывает перспективный вид волновода в виде простой плиты с решеткой и отклоняющим элементом в виде консоли,
фиг. ЗЬ показывает поперечный вид волновода по фиг. За,
25 фиг. 4 показывает пример спектра отражения для многомодового волновода
оптического датчика,
фиг. 5 показывает взаимосвязь между силой и смещением Брэгговской длины волны,
фиг. 6 и 7 показывает примерные конструктивные принципы волноводов 30 оптического датчика,
фиг. 8 показывает различные примерные конструкции решетки,
фиг. 9а и 9Ь показывают обычную и инвертированную конструкции решетки, соответственно,
фиг. 10 показывает различные примеры присоединения оптоволокна к волноводу,
5 фиг. 11а показывает пример рифленого отклоняющего элемента,
фиг. 11Ь показывает пример отклоняющего элемента, снабженного ускоряемой массой для обеспечения возможности измерения ускорения,
фиг. 12 показывает пример подвески отклоняющего элемента при использовании шарниров,
10 фиг. 13 показывает взятые в качестве примера поперечные сечения
волноводов с круговым удержанием света и с одной или больше решетками Брэгга,
фиг. 14 показывает пример измерения перемещения вдоль двух осей для использования, например, в двуосном акселерометре,
15 фиг. 15 показывает другой пример измерения перемещения вдоль двух осей,
фиг. 16а и 16Ь показывают мультиплексирование множества оптических датчиков,
фиг. 17а и 17Ь показывают аподизированные решетки, полученные посредством использования искривленных нижних поверхностей волновода, и
20 фиг. 18 показывает перспективный вид волноводного чипа, где соединение с
сердцевиной выполнено посредством управляемых показателем преломления волноводов со сплошной сердцевиной.
Осуществление изобретения
Способ измерения полностью оптическими датчиками может, в целом, быть разделен на измерение с модулированием амплитуды и измерение с модулированием частоты. При частотной модуляции для определения измеренной физической величины используют изменение длины волны 30 отраженного света, а не амплитуды отраженного света, как при амплитудной модуляции. Хотя основанные на амплитудной модуляции датчики могут достигать
чрезвычайно высокой чувствительности вследствие характеристик включения/выключения сигнала, сигнал сам по себе чрезвычайно уязвим для потерь при передаче и к шуму, и они не способны к легкой интеграции в большие множества датчиков, поскольку каждый датчик требует своей собственной линии 5 передачи. С другой стороны, основанные на частотной модуляции датчики не обладают столь же высокой чувствительностью, как основанные на амплитудной модуляции датчики, однако, они намного устойчивее относительно шума и способны к легкой интеграции в большие распределенные системы датчиков, поскольку множество таких датчиков способно совместно использовать одну 10 линию передачи.
В большинстве оптических волноводов свет удерживается в сердцевине за счет ее более высокого показателя преломления, чем у окружающей среды, называемой оболочкой. Этот способ удержания света назван полным внутренним отражением. Если показатель преломления сердцевины ниже показателя 15 преломления оболочки, как это имеет место для волновода с полой сердцевиной, волновод называют волноводом "с утечкой".
Как указано выше, первая особенность изобретения имеет отношение к оптическому датчику для силоизмерительной системы, включающий волновод, содержащий несплошную сердцевину для удержания света, по меньшей мере
20 один распределенный Брэгговский отражатель, и по меньшей мере один отклоняющий элемент, обеспечивающий возможность изменения геометрии и/или размера волновода при воздействии на него силы. В качестве примеров простых конструкций волновод может быть выполнен в виде с полностью плоской геометрией или с полностью лентообразной геометрией. Дополнительные
25 варианты реализации оптического датчика в соответствии с настоящим изобретением могут быть снабжены волноводами с ребристой или мультиребристой геометрией. Волновод подходит для и/или выполнен с возможностью направления по меньшей мере одной световой моды высокого порядка. Таким образом, волновод может быть многомодовым волноводом, в
30 котором основная мода света направлена вместе с множеством мод более высокого порядка. Спектр отражения от оптического датчика будет, таким образом, содержать множество пиков, причем каждый пик обычно представляет моду. Сигнал датчика может быть извлечен из сдвига длины волны одного пика
или множества пиков в спектре отражения, или всего сигнала отражения (то есть, идентифицирующей области спектра).
Как указано выше, сдвиг длины волны в отраженной Брэгговской длине волны может быть получен не только посредством изменения периода решетки, 5 но также посредством изменения эффективного показателя преломления. Это, например, может быть достигнуто посредством изменения размеров самого волновода. Настоящий оптический датчик предпочтительно основан на измерении изменения эффективного показателя преломления, а не изменения периода решетки Брэгга, что используют в обычных датчиках с волоконной решеткой
10 Брэгга для модулирования Брэгговской длины волны. Эффективный показатель преломления смоделирован посредством модуляции размера и/или геометрии волновода. Рассмотрим две области, одна из которых содержит только материал сердцевины, а вторая и материал сердцевины и материал решетки. В области, содержащей только материал сердцевины, модулирование эффективного
15 показателя преломления выполняют простым изменением размеров волновода. Низкое пространственное удержание (что эквивалентно большой сердцевине) света увеличит эффективный показатель преломления, а высокое пространственное удержание (что эквивалентно небольшой сердцевине) уменьшит эффективный показатель преломления. В областях, содержащих и
20 материал сердцевины и материал решетки, имеют место два эффекта; как и раньше, происходит изменение показателя преломления в сердцевинной части вследствие увеличенного или уменьшенного пространственного удержания, но эффективный показатель преломления всей области будет также зависеть от того, насколько велика доля волноводной моды, находящейся в решеточной части
25 области, и насколько велика часть, находящаяся в сердцевинной части. При размещении всей волноводной моды в сердцевинной части ситуация эквивалентна первому случаю при отсутствии материала решетки. Но при перекрытии модой увеличивающейся решеточной части эффективный показатель преломления всей области будет стремиться к эффективному показателю
30 преломления решеточной части. Модуляция эффективного показателя преломления может происходить вдоль одной или множества осей.
Очевидно, что изменение размеров волновода ограничено деформируемостью материала волновода. Максимально возможная деформируемость получена при использовании волновода с полой сердцевиной.
Таким образом, в одном варианте реализации настоящего изобретения несплошная сердцевина выполнена полой. Несколько волноводных конструкций с полой сердцевиной известны в этой области техники, включая фотонный кристалл, распределенную решетку Брэгга и антирезонансные отражающие 5 оптические волноводы.
Волновод с полой сердцевиной легко растягивать/сжимать, поскольку деформируемость такой сердцевины намного выше, чем у сердцевины, заполненной жидкостью или сплошным материалом. Высокая деформируемость означает высокую чувствительность к силам физической деформации. Сплошная
10 сердцевина проще обычной полой сердцевины при изготовлении и работе, поскольку она способна использовать полное внутреннее отражение для удержания света. Это обычно невозможно для волноводов с полой сердцевиной, поскольку показатель преломления газов (например, воздуха) сравнительно низок. Волноводы с жидкой сердцевиной могут иметь более высокую или более
15 низкую деформируемость по сравнению с волноводами со сплошной сердцевиной и способны использовать полное внутреннее отражение для удержания света. Волноводы с жидкой сердцевиной выгодны при необходимости транспортировки материала, например, частиц или ДНК, вдоль сердцевины. Примеры способов удержания света в волноводе, отличных от полного внутреннего отражения,
20 включают фотонные кристаллы, антирезонансные отражающие оптические волноводы, щелевые волноводы, металлические волноводы, распределенные Брэгговские отражательные волноводы и плазмонные волноводы.
Волновод может, например, быть выполнен в виде пластинчатого волновода, ленточного волновода (таким как прямоугольный волновод, круговой или
25 полукруговой волновод) или волновода с ребром или множеством ребер. Поперечное сечение несплошной сердцевины может быть прямоугольным, многоугольным или круговым, полукруглым, эллиптическим, полуэллиптическим или в виде любой комбинации этих форм. Аналогичным образом, оболочка сердцевины может быть выполнена по существу прямоугольной, многоугольной
30 или круговой, полукруговой, эллиптической, полуэллиптической или в виде любой комбинации этих форм.
Пластинчатый волновод прост в реализации, но способен удерживать свет лишь в одном направлении и, следовательно, потери при распространении и потери при соединении (особенно для прошедшего сигнала) могут быть
большими. Ленточные волноводы и волноводы с ребром удерживают свет в двух направлениях и обеспечивают возможность более низких потерь при соединении, поскольку свет может быть направлен к определенной точке соединения. Это важно для возможностей мультиплексирования, при котором потери при 5 соединении должны быть минимизированы. Поскольку волновод с ребром можно считать комбинацией пластинчатого волновода и прямоугольного волновода, может быть достигнута высокоэффективная модуляция показателя преломления при сжатии моды при переходе от пластинчатой/прямоугольной части волновода к прямоугольной/ пластинчатой части волновода. Это происходит вследствие 10 значительного различия в форме оболочки (одномерной или двумерной) между этими двумя ситуациями. Следовательно, достижима увеличенная модуляция эффективного показателя преломления, например, в конфигурациях волновода с ребром, а не в простых конфигурациях пластинчатого волновода.
В одном варианте реализации настоящего изобретения максимальная 15 ширина волновода по меньшей мере в 10 раз больше максимальной высоты волновода, или по меньшей мере в 20 раз, или по меньшей мере в 30 раз, или по меньшей мере в 40 раз, или по меньшей мере в 50 раз, или по меньшей мере в 60 раз, или по меньшей мере в 70 раз, или по меньшей мере в 80 раз, или по меньшей мере в 90 раз, или по меньшей мере в 100 раз, или по меньшей мере в 20 500 раз, или по меньшей мере в 1000 раз, или по меньшей мере в 1500 раз, или по меньшей мере в 2000 раз, или по меньшей мере в 2500 раз, или по меньшей мере в 3000 раз, или по меньшей мере в 5000 раз, или по меньшей мере в 10000 раз больше максимальной высоты волновода.
В одном варианте реализации настоящего изобретения волновод выполнен 25 в виде антирезонансного отражающего оптического волновода.
Волновод может быть выполнен из двух соединенных подложек, например, подложек из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца. Кроме того, волновод может быть выполнен в виде выемки в кремниевой подложке, например, в подложке из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца. Подложки 30 могут быть соединены, например, посредством сварки, такой как лазерная сварка, склеивания, соединения оплавлением, анодного соединения или пайки эвтектическим сплавом.
Отклоняющий элемент
Возможности измерения оптическим датчиком основаны на одном или больше отклоняющих элементов, предназначенных для изменения геометрии и/или размера волновода при воздействии на него силы. Размеры волновода могут быть модулированы, например, посредством использования отклоняемого 5 бруска, мембраны, пластины или другого отклоняемого механического элемента, который или вызывает изменение геометрии сердцевины волновода или изменяет распределение материала вокруг сердцевины. Они могут также быть индуцированы непосредственно посредством сжатия/расширения сердцевины. Отклоняющий элемент может быть выполнен в виде консоли, бруска, мембраны 10 или пластиной или подобной отклоняемой конструкции. Форма отклоняющего элемента может быть круговой, эллиптической, многоугольной или комбинацией этих форм. В одном варианте реализации настоящего изобретения отклоняющий элемент образует одну сторону несплошной сердцевины и/или одну сторону волновода.
15 Отклоняющий элемент, выполненный в виде тонкой пластины с однородной
толщиной, обычно выполняет отклонение с центром пластины, имеющим наибольшее отклонение. Следовательно, в еще одном варианте реализации настоящего изобретения толщина отклоняющего элемента не постоянна. Например, имеет место изменение толщины отклоняющего элемента вдоль
20 длины и/или ширины отклоняющего элемента. Например, указанный отклоняющий элемент может содержать один или больше гофрированных элементов, например для получения более однородного отклонения в месте размещения решетки.
По мере отклонения отклоняющего элемента жесткость материала сердцевины (например, воздуха) может увеличивать полную эффективную
25 жесткость и, таким образом, силу, необходимую для отклонения отклоняющего элемента. Для уменьшения этой увеличенной полной эффективной жесткости вентиляционные отверстия или задние камеры могут быть введены в отклоняющий элемент или в другую часть волновода, обеспечивая тем самым возможность протекания материала сердцевины волновода (например, воздуха)
30 из сердцевины волновода во время отклонения отклоняющего элемента.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения отклоняющий элемент подвешен посредством одного или больше брусков, таких как один или больше брусков, проходящих через сердцевину и/или волновод или вдоль них. В
еще одном варианте реализации настоящего изобретения отклоняющий элемент образует шарнирный элемент.
Для предотвращения механической поломки оптического датчика вследствие большого отклонения отклоняющего элемента, в оптический датчик может быть 5 введен ограничитель величины отклонения. Он может быть выполнен в виде сплошной структуры, размещенной ниже отклоняющего элемента, например, в виде мембраны, что препятствует отклонению мембраны больше, чем на определенное расстояние за счет физического контакта. Для предотвращения сцепления и появления вследствие этого, например, гистерезиса между 10 отклоняющим элементом и ограничителем отклонения область контакта должна быть небольшой. Это может быть достигнуто, например, посредством использования столбиков в качестве ограничителей отклонения, потенциально с заостренным концом. Материал поверхности ограничителя может также быть выбран для уменьшения сцепления с материалом отклоняющего элемента.
15 Оптический датчик и отклоняющий элемент могут быть выполнены таким
образом, чтобы оптический датчик был чувствителен к силе, приложенной к вершине отклоняющего элемента, что приводит к отклонению отклоняющего элемента и изменяет размер и/или геометрию волновода. Однако, оптический датчик и отклоняющий элемент могут также быть выполнены таким образом,
20 чтобы оптический датчик был чувствителен к силе, приложенной со стороны отклоняющего элемента. Это может приводить к отклонению отклоняющего элемента и/или к смещению отклоняющего элемента, что изменяет размер и/или геометрию волновода.
Конструкция распределенного Брэгговского отражателя
25 В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере
один распределенный Брэгговский отражатель выполнен в виде решетки. Высота Брэгговского отражателя (решетки) влияет на чувствительность оптического датчика. Это относится к модуляции эффективного показателя преломления, которая частично имеет место вследствие изменений в перекрытии мода/решетка.
30 Если высота решетки равна высоте сердцевины или больше нее, не будет никакого изменения перекрытия мода/решетка в сердцевине при модуляции размеров сердцевины (мода всегда полностью наложена на решетку). Таким образом, модуляцией эффективного показателя преломления вследствие изменения перекрытия моды можно пренебрегать. Если высота решетки меньше
полной высоты сердцевины, то модуляцией эффективного показателя преломления вследствие модуляции размера сердцевины уже нельзя пренебрегать.
Заданная высота решетки будет по-разному воздействовать на различные 5 волноводные моды. Это происходит вследствие различных пространственных распределений волноводных мод. Таким образом, в одном варианте реализации настоящего изобретения максимальная высота распределенного Брэгговского отражателя составляет меньше 50% от максимальной высоты волновода, или меньше 40%, или меньше 30% или меньше 25%, или меньше 20%, или меньше 10 15%, или меньше 10%, или меньше 5% от максимальной высоты волновода.
Если пространственное ограничение в волноводе будет увеличено (например, вследствие меньших размеров волновода), то эффективный показатель преломления области с одной лишь сердцевиной уменьшится. Однако, в областях, содержащих и материал сердцевины и материал решетки (где
15 имеет место перекрытие моды/решетки), эффективный показатель преломления может увеличиваться, если показатель преломления решетки больше показателя преломления сердцевины. Это будет иметь место, когда уменьшение эффективного показателя преломления в области сердцевины будет меньшим, чем увеличение эффективного показателя преломления вследствие увеличенного
20 перекрытия между модой и решеткой с высоким значением показателя преломления. Таким образом, при определении оптимальной высоты решетки должны быть приняты во внимание фактические моды, используемые для измерения. Поскольку очень высокие решетки будут вызывать увеличение ширины полосы пика отражения и одновременно ограничивать перемещение
25 отклоняющего элемента, обычные значения высоты решетки составляют 0-25% от полной высоты волновода.
В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель выполнен как множество структур на поверхности волновода. Эти структуры могут быть выполнены в виде выступов 30 или углублений или комбинации и того и другого. Форма, высота и период распределенного Брэгговского отражателя могут не быть постоянными вдоль решетки. Изменение высоты и формы отдельных элементов решетки, а также периода может быть использовано для создания определенных спектров отражения. Для модуляций низкого показателя преломления известно, что спектр
отражения связан с пространственным распределением показателя преломления решетки посредством преобразования Фурье (и обратного преобразования Фурье). Таким образом, в одном варианте реализации настоящего изобретения имеет место периодическое изменение высоты и/или ширины указанных структур. 5 Кроме того, может иметь место периодическое изменение расстояния между указанными структурами. Кроме того, структуры могут быть выполнены прямолинейными или искривленными, например, изогнутыми по синусоиде или изогнутыми по дуге или изогнутыми по параболе. В одной конструкции может быть использован аподизированый Брэгговский отражатель, выполненный, например, с 10 возможностью подавления боковых лепестков. Другая возможность состоит в использовании Брэгговского отражателя с линейной модуляцией частоты.
В одном варианте реализации настоящего изобретения оптический датчик содержит два или больше распределенных Брэгговских отражателей. Эти распределенные Брэгговские отражатели могут быть выполнены идентичными 15 или различными. Оптический датчик, содержащий два различных Брэгговских отражателя, может быть использован для измерения различных "событий", поскольку отражения от каждого Брэгговского отражателя обычно будут различимыми.
Существуют многочисленные возможности для размещения Брэгговского 20 отражателя(-ей) в волноводе. Распределенный Брэгговский отражатель может, например, быть размещен на отклоняющем элементе. Другая возможность состоит в том, что распределенный Брэгговский отражатель размещен на поверхности волновода напротив отклоняющего элемента.
Соединение
25 В одном варианте реализации настоящего изобретения оптический датчик
дополнительно содержит соединительный элемент для ввода света в волновод и/или вывода света из волновода. Оптимизация соединения важна для уменьшения потерь при соединении. Потери мощности при подаче света в волновод могут быть уменьшены посредством улучшения перекрытия мод между
30 модой волокна и волноводными модами. Однако, для многомодового волновода связь между внешним источником света и волноводом может быть еще более важной. Например, амплитуда пиков брэгговского отражения для мод повышенного порядка может быть увеличена посредством регулирования значения угла между направлением ввода света в виде оптоволокна и
волноводом и расположением волокна в волноводе. Это может быть преимуществом, поскольку облегчает измерение сигнала для мод более высокого порядка. Под нулевым углом (то есть, при волокне, параллельном волноводу) основная мода обычно будет иметь самую высокую амплитуду. При увеличении 5 угла от нуля амплитуда моды второго порядка будет возрастать, а амплитуда моды первого порядка убывать. При еще больших значений угла амплитуда мод еще более высокого порядка возрастает за счет амплитуды мод более низкого порядка. Аналогичным образом расположение оптоволокна относительно волновода будет изменять амплитуду отдельных пиков, а также количество пиков.
10 При ориентации оптоволокна по центру волновода основная мода обычно будет обладать самой большой амплитудой. В положениях, смещенных от центра, амплитуды мод более высокого порядка будут увеличены. Таким образом, в одном варианте реализации настоящего изобретения соединительный элемент выполнен таким образом, что свет входит в волновод вдоль оси/симметрично
15 относительно сердцевины. В еще одном варианте реализации настоящего изобретения соединительный элемент выполнен таким образом, что свет входит в волновод вне оси/асимметрично относительно сердцевины. Кроме того, соединительный элемент может быть выполнен таким образом, что свет входит в волновод под ненулевым углом относительно сердцевины.
20 Обычно размер волновода смодулирован в месте расположения решетки
Брэгга. Таким образом, ввод непосредственно в эту область вызвал бы изменения в величине потерь при соединении. Соединительная секция волновода с неизменными размерами может, следовательно, быть размещена перед фактическим местоположением для измерения. Кроме того, сходящаяся на конус
25 секция или аналогичная соединительная структура между волноводом и оптоволокном могут быть использованы для увеличения перекрытия моды и уменьшения потерь при соединении. Соединительная структура может быть выполнена посредством одной или больше сплошных структур сердцевины как части оптического датчика, например, как части волноводного чипа. Например,
30 волновод с полой сердцевиной может быть интегрирован в чип и одна или больше сплошных структур сердцевины обеспечивают оптическую связь на вводе в волновод и/или на выводе из волновода с полой сердцевиной. Эта структура со сплошной сердцевиной может быть заострена таким образом, что размер на одном конце соответствует оптоволокну, а на другом конце соответствует полой
35 сердцевине. Кроме того, оптическая передача в структуре со сплошной
сердцевиной может быть управляема показателем преломления или посредством фотонного кристалла и т.п.
Примеры показаны на фиг. 17а, 17Ь и 18. На фиг. 17а и 17Ь волноводы со сплошной сердцевиной размещены на каждой стороне волновода с полой (воздух) 5 сердцевиной. Отклоняющий элемент в виде мембраны присоединен к структурам сплошной сердцевины. Чип волноводного датчика по фиг. 18 содержит волновод с полой сердцевиной и круговым отклоняющим элементом в виде мембраны и решетку Брэгга в полой сердцевине ниже мембраны. Свет входит в волновод с полой сердцевиной и выходит из него через две сплошных структуры сердцевины
10 в виде двух управляемых показателем преломления волноводов на каждой стороне полой сердцевины. Таким образом, волноводы со сплошной сердцевиной выполнены с возможностью функционировать соединительными элементами для ввода света в несплошную сердцевину волновода с несплошной сердцевиной и/или вывода света из нее. Управляемые показателем преломления волноводы
15 выполнены в виде трубы на каждом конце для обеспечения сужения к устройству вывода например, на оптоволокно, но также и сужения к полой сердцевине. Свет удержан в этих управляемых показателем преломления волноводах со сплошной сердцевиной вертикально при помощи световодного горизонтального слоя в чипе, окруженного слоями оболочки, причем световодный слой имеет более высокий
20 показатель преломления, чем слои оболочки, и горизонтально при помощи четырех углублений/отверстий в чипе (как показано на фиг. 18), где низкий показатель преломления воздуха в углублениях/отверстиях обеспечивает удержание света в сердцевинах волноводов, направляемых показателем преломления сплошной сердцевины. Форма этих углублений/отверстий образует
25 заостренные секции секций управляемого показателем преломления волновода со сплошной сердцевиной. Чип датчика, показанный на фиг. 18, может обеспечивать низкий уровень потерь при соединении при присоединении к оптоволокнам с каждой стороны чипа, поскольку сплошная сердцевина оптоволокна может быть соединена со структурами сплошной сердцевины на
30 концах чипа датчика.
Оптический датчик может быть выполнен с возможностью распространения света с длиной волны в спектре телекоммуникаций с центром при 1550 нм, например, от 1500 до 1620 нм, что, таким образом, обеспечивает возможность использования обычных дешевых телекоммуникационных оптических
компонентов с низкими потерями. Для использования дешевых систем мониторов с формированием запросов в еще одном варианте реализации настоящего изобретения оптический датчик может быть выполнен с возможностью распространять свет с длиной волны, приблизительно равной 850 нм.
5 Система с датчиками
Как указано выше, еще один вариант реализации настоящего изобретения относится к системе с датчиками, содержащей по меньшей мере один источник света, один или больше оптических датчиков, включающих волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, указанный
10 волновод оптического датчика, предназначенный для направления по меньшей мере одной световой моды высокого порядка по меньшей мере от одного источника света, например, многомодовый оптический волновод, по меньшей мере один передающий оптический волновод, обеспечивающий возможность направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к
15 указанным одному или больше волноводу оптического датчика, датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанном одном или больше волноводе оптического датчика, и процессор данных, обеспечивающий возможность анализа изменений Брэгговской длины волны для указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.
20 В одном варианте реализации настоящего изобретения система датчика
дополнительно содержит один или больше соединительных элементов для вывода света из указанного по меньшей мере одного передающего оптического волновода в указанные один или больше волноводы оптического датчика. Процессор данных может быть выполнен для частотной модуляции отраженного
25 сигнала. Источник света может быть выполнен в виде широкополосного источника света и/или многомодового источника света. Кроме того, поскольку процессор данных предназначен для анализа изменений Брэгговской длины волны для указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка в отраженном свете предполагается, что источник света предпочтительно предназначен для
30 испускания света, содержащего множество мод, такой как многомодовый источник света, то есть, света, содержащего первую моду, то есть основную моду, вторую моду, третью моду, четвертую моду, пятую моду и т.д. В оптическом волноводе с модой утечки потери возрастают с номером моды.
Система с датчиками в соответствии с настоящим изобретением может содержать множество мультиплексированных оптических датчиков. Это множество оптических датчиков может быть мультиплексировано или в последовательной или в параллельной или в последовательной/параллельной 5 конфигурации. Связь между датчиками может быть выполнена или посредством оптоволокна или посредством волноводов на чипе. Таким образом, несколько элементов датчика, например, с различными конструкциями решеток Брэгга и/или различными конструкциями отклоняющего элемента и потенциально различного типа (температура, сила, ускорение) могут быть выполнены на однокристальной
10 схеме с промежуточными соединениями волноводов. Например, распределенный Брэгговский отражатель в каждом оптическом датчике может быть предназначен для отражения конкретной и уникальной длины волны света, как в мультиплексировании по длинам волн. Может также быть использовано временное мультиплексирование отраженного сигнала, что устраняет
15 необходимость уникального отражения от каждого датчика. Размещение нескольких датчиков на одном чипе обеспечивает возможность использования чипов с такими особенностями, как возможность формирования луча (посредством комбинации нескольких датчиков давления) и температурная компенсация (посредством комбинации, например, датчика давления и
20 температурного датчика). Посредством комбинации датчиков, на которые заданная физическая величина (например, сила) и температура воздействуют по-разному, может быть достигнута температурная компенсация, например, посредством дифференциального измерения отражательного сигнала датчиков.
В одном варианте реализации настоящего изобретения указанный по 25 меньшей мере один передающий оптический волновод выполнен в виде оптоволокна. Поскольку возможность управления поляризацией света может представлять собой преимущество, в еще одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере один передающий оптический волновод выполнен в виде оптоволокна, сохраняющего поляризацию 30 проходящего излучения, например, сохраняющего поляризацию волокна типа Panda. Отраженный сигнал обычно проходит назад через то же самое оптоволокно, которое переносит свет от источника света. Таким образом, может быть выполнено устройство циркуляции, предназначенное для ввода отраженного света в датчик.
Как указано выше, один или больше волноводов оптического датчика могут быть выполнены в виде многомодового волновода, подходящего для направления множества мод света, включая основную моду. Таким образом, процессор данных может быть предназначен для анализа изменений Брэгговской длины волны для 5 множества мод отраженного света, включая основную моду.
Спектрометр может быть использован для анализа сигнала, отраженного от системы датчика, таким образом, что отраженный сигнал может быть спектрально разрешен. Однако, более эффективное с точки зрения стоимости техническое решение может состоять в использовании радиометрического анализа, например,
10 при наличии двух или больше фильтров, например, фильтров границы полосы пропускания, режекторных фильтров, полосовых фильтров и т.д., посредством посылки отраженного сигнала через эти фильтры и анализа соотношения между выходными сигналами от этих фильтров. При модуляции показателя преломления волновода оптического датчика, это будет, следовательно, модулировать
15 отношение выходных сигналов этих фильтров, если фильтры соответственно приспособлены к длине(-ам) волны источника света и Брэгговской длине(-ам) волны волновода оптического датчика. Один или больше простых фотодиодов могут быть применены в качестве датчиков и использованы для контроля отношения выходных сигналов этих фильтров, что избегает использования
20 возможно дорогого спектрометра.
Подробное описание чертежей
На фиг. 1а показан принцип работы волоконной решетки Брэгга при распространении широкополосного света через сердцевину волокна слева направо. Распределенный Брэгговский отражатель в виде решетки с постоянным
25 периодом А выполнен посредством периодического изменения показателя преломления сердцевины волновода, в этом случае сердцевины волокна. На фиг. 1с принцип работы показан для волновода с полой сердцевиной. Изменение показателя преломления действует как зеркало, селективное к конкретной длине волны. При каждом сдвиге значения показателя преломления произойдет
30 отражение распространяющейся вперед волны. Таким образом, для определенных длин волны отраженные волны будут складываться аддитивно, поскольку каждая отраженная волна синфазна со следующей волной, создавая, посредством этого, пик в отраженном спектре на Брэгговской длине волны Ав согласно формуле
где /?eff равно среднему показателю преломления и А равно периоду решетки. При вытягивании волокна по фиг. 1а и изменении периода А решетки Брэгга происходит изменение Брэгговской длины волны. Эта простая формула 5 также показывает, что Брэгговская длина волны может быть изменена посредством изменения эффективного показателя преломления пец волновода, как показано на фиг. 1с и 1d. На фиг. 1d показано, как сигнал может быть изменен при изменении отраженного света (переход от штриховой линии к сплошной линии). Также может быть отмечено изменение длины волны отраженного света.
10 На фиг. 1 b показан перспективный вид взятого в качестве примера варианта
реализации волновода оптического датчика в соответствии с настоящим изобретением. Этот ленточный волновод выполнен в виде углубления в подложке и содержит распределенный Брэгговский отражатель. Отклоняющий элемент выполнен другой подложкой, лежащей поверх выемки, образуя, тем самым одну
15 сторону волновода. При приложении силы к вершине отклоняющего элемента он будет отклонен и тем самым изменит размер волновода и изменит эффективный показатель преломления волновода, поскольку эффективный показатель преломления neff определен выражением
где пс равно показателю преломления сердцевины, dc равно высоте
сердцевины и т равно номеру моды.
На фиг. 2 показан основной принцип работы многомодового волновода оптического датчика. На фигуре показано поперечное сечение сердцевины при распространении света слева. Также показано пространственное удержание
25 основной моды и моды высокого порядка. Выступы в нижней части представляют собой решетку Брэгга. В волноводе имеют место различные сдвинутые друг относительно друга области, то есть, области только с материалом сердцевины (отмечены как А) и области, содержащие и материал сердцевины и материал решетки (отмечены как В). Различие в пространственном удержании моды между
30 областями А и В изменяет эффективный показатель преломления волновода. Изменение перекрытия моды с решеткой изменяет геометрически усредненный показатель преломления, который различен в зависимости от порядка моды.
На фиг. За показан простой пластинчатый волновод, выполненный между двумя пластинами, причем решетка размещена на одной пластине, а другая пластина выполнена в виде отклоняющего элемента. Эти две пластины могут быть механически соединены, как показано штриховой линией. При соединении 5 этих двух пластин отклоняющий элемент выполнен в виде консоли.
На фиг. ЗЬ показано распространение света в сердцевине волновода, образованного между окружающими слоями оболочки.
На фиг. 4 показан пример спектра отражения от многомодового волновода оптического датчика. Легко идентифицируемы пики по меньшей мере от двух мод
10 (основной (1.) моды и моды более высокого порядка (2.)). Каждая мода, распространяющаяся в волноводе, будет обычно давать пик в спектре отражения. Однако, в спектре отражения могут появляться дополнительные пики в результате смешивания различных мод. Процессор данных в настоящем оптическом датчике предпочтительно предназначен для анализа изменения пиков от каждой моды.
15 Как указано выше, моды более высокого порядка более чувствительны к изменениям показателя преломления волновода. Посредством выполнения процессора данных таким образом, чтобы был включен анализ мод более высокого порядка, чувствительность системы датчика может в результате быть улучшена.
20 На фиг. 5 показана взаимосвязь между силой, приложенной к оптическому
датчику в соответствии с настоящим изобретением, и возникающим в результате изменением Брэгговской длины волны в пике спектра отражения. Было использовано линейное приближение, хотя изменение Брэгговской длины волны в целом нелинейно.
25 Существует много способов сконструировать волновод оптического датчика,
например, с точки зрения геометрии волновода и сердцевины, конструкции, типа, местоположения и количества отклоняющих элементов решетки. Ниже будет предложена совокупность конструкций.
На фиг. 6а показан перспективный вид волновода оптического датчика, 30 предназначенного для двуосной деформации сердцевины. При направлении силы справа, как показано стрелкой, волновод по существу гексагональной формы будет изменять геометрию, почти как гармошка.
Отклоняющий элемент со структурой типа поршня, направленного к решетке, показан в поперечном сечении на фиг. 6Ь.
Волновод оптического датчика, показанный на фиг. 6с, снабжен двумя противостоящими элементами отклонения в виде мембран, каждый из которых 5 снабжен решеткой Брэгга. Эти решетки могут быть различными, что обеспечивает различные спектры отражения, посредством чего можно определить, какая из мембран выполняет отклонение. Мембраны могут обладать различными массами и вследствие этого различными резонансом/чувствительностью.
На фиг. 7а показано поперечное сечение асимметричного волновода с 10 областью сердцевины вокруг решетки. Волновод выполнен из двух подложек, которые выполнены с возможностью скольжения друг относительно друга при приложении силы. Это скользящее перемещение будет изменять геометрию волновода и, в частности, размеры сердцевины и тем самым пространственное удержание света, то есть изменять эффективный показатель преломления в 15 местах изменения решетки при скольжении двух подложек друг относительно друга.
Другое поперечное сечение асимметричного волновода показано на фиг. 7Ь. Этот тип конструкции может привести к увеличенной чувствительности соответствующего волновода оптического датчика.
20 Решетки могут быть выполнены различными способами для удовлетворения
специфических потребностей с точки зрения спектра по длине волны, чувствительности и т.д. Решетки с переменной высотой и периодичностью показаны на виде сбоку на фиг. 8а и 8Ь, соответственно. Решетки с различной кривизной показаны на перспективных видах на фиг. 8d (прямолинейные решетки)
25 и 8с (изогнутые решетки).
Решетки могут быть выполнены как "нормальные" решетки, образованные как выступы поверхности, как показано на фиг. 9а, или как углубления в поверхности, как показано на фиг. 9Ь.
Аподизированная решетка, показанная на фиг. 8а, выполнена как решетка с 30 переменной высотой выступов решетки. Однако, аподизация может также быть получена посредством размещения распределенного Брэгговского отражателя на неплоской поверхности. Примеры показаны на фиг. 17а и фиг. 17Ь. На фиг. 17а нижняя поверхность полой сердцевины волновода выпукла, то есть изогнута
наружу. Выступы решетки Брэгга имеют равную высоту, но при их распределении на изогнутом основании в результате получена решетка Брэгга с высотой, изменяющейся вдоль длины сердцевины волновода, то есть в направлении распространения света, посредством чего происходит изменение показателя 5 преломления вдоль длины сердцевины волновода. Аналогичное техническое решение показано на фиг. 17Ь, где нижняя поверхность сердцевины волновода вогнута, то есть изогнута внутрь. Снова показатель преломления волновода изменяется вдоль длины сердцевины волновода. Этот эффект может быть реализован при размещении распределенного Брэгговского отражателя на 10 неплоской поверхности в направлении распространения света.
Часто оптоволокно должно быть присоединено к одному или обоим концам волновода. Соединение посредством прямолинейного проводника показано на фиг. 10а, а волновод с заостренными секциями, предназначенными для улучшения эффективности соединения между волокном и волноводом, показан на 15 фиг. 10Ь.
Для обеспечения возможности более однородного отклонения отклоняющего элемента он может быть снабжен элементами рифления, как показано на фиг. 11а.
Отклоняющий элемент может быть снабжен локальной ускоряемой массой, 20 как показано на фиг. 11Ь, для обеспечения большей чувствительности к ускорению датчика. Таким образом, еще один вариант реализации настоящего изобретения относится к оптическому акселерометру, содержащему волновод, содержащий несплошную сердцевину для удержания света, по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель, и по меньшей мере один 25 отклоняющий элемент, выполненный для изменения геометрии и/или размера волновода при приложении силы, причем указанный по меньшей мере один отклоняющий элемент содержит по меньшей мере одну ускоряемую массу.
Существуют различные способы подвески отклоняющего элемента, например в зависимости от использования датчика. На фиг. 12 30 мембрана/пластина поднята над нижней подложкой, содержащей решетку и волновод. Мембрана/пластина поддержана только локально двумя брусками, проходящими параллельно волноводу. Этот тип оптического датчика чувствителен к перемещению/отклонению мембраны и в горизонтальном и в вертикальном направлениях.
Волновод круговой формы может быть предложен для уменьшения потерь при передаче. Независимое от поляризации круговое удержание показано на фиг. 13а с двумя размещенными напротив решетками. Конструкция по фиг. 13Ь также обеспечивает круговое удержание, но при наличии только одной решетки 5 распространение зависит от поляризации.
На фиг. 14 показан принцип работы датчика, который чувствителен к месту приложения силы. Имеют место два волновода, использующие один и тот же отклоняющий элемент. Эти волноводы снабжены различными решетками Брэгга, посредством чего различные волноводы можно различать в спектре отражения.
10 При приложении силы к верху отклоняющего элемента таким образом, что отклонение в каждом волноводе идентично, Брэгговские пики в спектре отражения будут смещены одинаково, как показано в спектре отражения на фиг. 14Ь. Однако, при асимметричности отклонения это можно обнаружить в спектре отражения, как показано на фиг. 14с и 14d. Посредством этого, например,
15 перемещение/ускорение будет определимо в двух измерениях посредством сравнения множества отраженных сигналов.
На фиг. 15 показаны примеры других волноводных конструкций, которые будут чувствительны к обнаружению перемещения в двух направлениях.
На фиг. 16 показано, как множество оптических датчиков может быть 20 мультиплексировано (по частоте) вдоль одной и той же линии передачи.
Более подробная информация об изобретении
Изобретение будет теперь описано более подробно со ссылками на последующие пункты:
1. Оптический датчик для силоизмерительной системы, содержащий 25 волновод, содержащий
- несплошную сердцевину для удержания света,
- по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель, и
- по меньшей мере один отклоняющий элемент, предназначенный для изменения геометрии и/или размера волновода при приложении силы.
30 2. Оптический датчик по п. 1, волновод которого обладает плоской
геометрией.
3. Оптический датчик по п. 1, волновод которого обладает ленточной геометрией.
34221 -274. Оптический датчик по п. 1, волновод которого обладает ребристой геометрией.
5. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором указанная несплошная сердцевина выполнена полой.
5 6. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором поперечное сечение указанной несплошной сердцевины выполнено прямоугольным, многоугольным, круговым или эллиптическим или в виде любой комбинации этих форм.
7. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
10 котором оболочка сердцевины выполнена по существу прямоугольной,
многоугольной, круговой или эллиптической.
8. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором волновод выполнен в виде многомодового волновода.
9. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
15 котором указанный отклоняющий элемент образует одну сторону несплошной
сердцевины и/или одну сторону волновода.
10. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов,
содержащий два отклоняющего элемента.
11. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
20 котором указанный отклоняющий элемент выполнен в виде бруска, пластины,
мембраны или консоли.
12. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором указанный отклоняющий элемент содержит один или больше элементов
рифления.
25 13. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором указанный отклоняющий элемент содержит вентиляционные отверстия.
14. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов,
дополнительно содержащий одну или больше обратных камер.
15. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
30 котором указанный отклоняющий элемент образует шарнирный элемент.
16. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором указанный отклоняющий элемент подвешен посредством одного или
больше брусков, таких как один или больше брусков, проходящих через сердцевину или вдоль неё.
17. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором толщина отклоняющего элемента изменяется вдоль длины и/или ширины
5 отклоняющего элемента.
18. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один отклоняющий элемент содержит по меньшей мере одну ускоряемую массу.
19. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов,
10 дополнительно содержащий один или больше ограничителей отклонения для
ограничения отклонения отклоняющего элемента, ограничителей отклонения типа столбиков, таких как столбики с заостренным концом.
20. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором сила приложена к вершине отклоняющего элемента.
15 21. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором сила приложена со стороны отклоняющего элемента.
22. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель выполнен в виде решетки.
20 23. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов,
содержащий два или больше распределенных Брэгговских отражателя.
24. Оптический датчик согласно п. 23, в котором указанные распределенные
Брэгговские отражатели идентичны.
25. Оптический датчик согласно п. 23, в котором указанные распределенные
25 Брэгговские отражатели различны.
26. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором форма указанного по меньшей мере одного распределенного
Брэгговского отражателя аподизирована.
27. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
30 котором указанный по меньшей мере один распределенный Брэгговский
отражатель расположен на неплоской поверхности, такой как вогнутая или
выпуклая поверхность, таким образом, что реализована переменная высота, то есть аподизация, Брэгговского отражателя.
28. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 26 - 27, в котором аподизация выполнена в направлении распространения света в
5 несплошной сердцевине.
29. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором форма указанного по меньшей мере одного распределенного Брэгговского отражателя обладает линейно изменяемым периодом.
30. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
10 котором указанный по меньшей мере один распределенный Брэгговский
отражатель выполнен в виде множества структур на поверхности волновода.
31. Оптический датчик согласно п. 30, в котором указанные структуры
выполнены в виде выступов или углублений или их комбинации.
32. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 30 - 31,
15 в котором высота и/или ширина указанных структур выполнены с периодическим
изменением.
33. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 30 - 32,
в котором расстояние между указанными структурами изменяется периодически.
34. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 30 - 33,
20 в котором структуры выполнены прямолинейными или криволинейными, например
в виде синусоидальной кривой или дугообразной кривой или параболической кривой.
35. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором максимальная высота распределенного Брэгговского отражателя меньше
25 50% от максимальной высоты волновода, или меньше 40%, или меньше 30%, или меньше 25%, или меньше 20%, или меньше 15%, или меньше 10%, или меньше 5% от максимальной высоты волновода.
36. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один распределенный Брэгговский
30 отражатель размещен на отклоняющем элементе.
37. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один распределенный Брэгговский
37.
отражатель размещен на поверхности волновода напротив отклоняющего элемента.
38. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором максимальная ширина волновода по меньшей мере в 10 раз превышает 5 максимальную высоту волновода, или по меньшей мере в 20 раз, или по меньшей мере в 30 раз, или по меньшей мере в 40 раз, или по меньшей мере в 50 раз, или по меньшей мере в 60 раз, или по меньшей мере в 70 раз, или по меньшей мере в 80 раз, или по меньшей мере в 90 раз, или по меньшей мере в 100 раз превышает максимальную высоту волновода.
10 39. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором волновод выполнен в виде антирезонансного отражающего оптического волновода.
40. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором волновод выполнен из двух скрепленных подложек, таких как подложки из
15 кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца.
41. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в котором волновод выполнен в виде углубления в кремниевой подложке, такой как подложка из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца.
42. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
20 котором волновод подходит и/или выполнен для направления по меньшей мере
одной световой моды высокого порядка, такой как многомодовый волновод.
43. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов,
дополнительно содержащий один или больше, предпочтительно два, волноводов
со сплошной сердцевиной, смежных с волноводом с несплошной сердцевиной.
25 44. Оптический датчик согласно п. 43, в котором указанные один или больше
волноводов со сплошной сердцевиной выполнены в виде направляемых показателем преломления волноводов со сплошной сердцевиной.
45. Оптический датчик согласно п. 43, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнены в виде фотонного кристалла
30 или волноводов на фотонном кристалле.
46. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 45, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной
46.
выполнены с возможностью функционировать в качестве соединительных элементов для ввода света в несплошную сердцевину волновода с несплошной сердцевиной и/или вывода света из нее.
47. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 46,
5 в котором размер одного конца сплошной сердцевины указанных одного или
больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнен в соответствие с размером несплошной сердцевины волновода с несплошной сердцевиной.
48. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 47, в котором размер одного конца сплошной сердцевины указанных одного или
10 больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнен в соответствие с размером передающего волновода, например, оптоволокна.
49. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 48, в котором область моды одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнена в соответствие с
15 областью моды волновода с несплошной сердцевиной.
50. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 49, в котором область моды одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнена в соответствие с областью моды передающего волновода, например, оптоволокна.
20 51. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 50,
в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной заострены на одном или обоих концах волноводов.
52. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 43 - 51, в котором волновод с несплошной сердцевиной и указанные один или больше
25 волноводов со сплошной сердцевиной выполнены из двух соединенных подложек, таких как подложки из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца.
53. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 52, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной ограничены вертикально по меньшей мере тремя горизонтальными слоями на
30 одной из подложек, причем средний слой имеет более высокий показатель преломления, чем верхний и нижний слои оболочки.
54. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 52 - 53, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной
54.
ограничены горизонтально вертикальными выемками по меньшей мере в одной из подложек или отверстиями, проходящими через эти подложки.
55. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий соединительный элемент для ввода света в
5 волновод и/или вывода света из него.
56. Оптический датчик согласно п. 55, в котором указанный соединительный элемент выполнен таким образом, что свет входит в волновод по оси/симметрично относительно сердцевины.
57. Оптический датчик согласно п. 55, в котором указанный соединительный
10 элемент выполнен таким образом, что свет входит в волновод вне
оси/асимметрично относительно сердцевины.
58. Оптический датчик согласно любому из пунктов 55 - 57, в котором
указанный соединительный элемент выполнен таким образом, что свет входит в
волновод под углом, отличным от нуля, относительно сердцевины.
15 59. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов, в
котором указанный по меньшей мере один отклоняющий элемент выполнен с возможностью изменения геометрии и/или размера волновода при приложении силы, определяемой давлением, смещением, напряжением, температурой, ускорением, скоростью, вращением, крутящим моментом, потоком и/или
20 температурой текучей среды.
60. Использование оптического датчика согласно любому из пунктов 1 - 59 в силоизмерительной системе.
61. Силоизмерительная система, содержащая оптический датчик согласно любому из пунктов 1 - 59.
25 62. Система датчика, содержащая
- по меньшей мере один источник света,
- один или больше оптических датчиков, содержащих волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель, причем указанный волновод оптического датчика выполнен с возможностью
30 направления по меньшей мере одной световой моды высокого порядка от
указанного по меньшей мере одного источника света,
34221 -33- по меньшей мере один передающий оптический волновод для направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к указанным одному или больше оптическим волноводам датчика,
- датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя 5 Брэгга в указанных одном или больше волноводах оптического датчика, и
- процессор данных, выполненный с возможностью анализа изменений Брэгговской длины волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.
63. Система с датчиками, содержащая
10 - по меньшей мере один источник света,
- один или больше оптических датчиков, содержащих многомодовый волновод оптического датчика, содержащий распределенный Брэгговский отражатель,
- по меньшей мере один передающий оптический волновод для 15 направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к
указанным одному или больше волноводам оптического датчика,
- датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше многомодовых волноводах оптического датчика, и
20 - процессор данных, выполненный с возможностью анализа изменений
Брэгговской длины волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.
64. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 63, дополнительно содержащая один или больше соединительных элементов для ввода света из
25 указанного по меньшей мере одного передающего оптического волновода в указанные один или больше волноводы оптического датчика.
65. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 64, в которой указанный процессор данных выполнен с возможностью частотной модуляции отраженного сигнала.
30 66. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 65, дополнительно
содержащая соединительный элемент, такой как устройство циркуляции, для ввода света, отраженного от указанного отражателя Брэгга, в указанный датчик.
67. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 66, в которой источник света выполнен в виде широкополосного источника света.
34221 -3468. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 67, в которой источник света выполнен в виде многомодового источника света таким образом, что свет, направленный в волновод оптического датчика и передающий волновод и отраженный свет представляют собой многомодовый свет.
5 69. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 68, которая
содержит множество мультиплексных оптических датчиков.
70. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 69, которая содержит множество мультиплексных оптических датчиков и в которой распределенный Брэгговский отражатель в каждом оптическом датчике выполнен
10 с возможностью отражения определенной и уникальной длины волны света.
71. Система сдатчиками по п. 70, в которой указанное множество оптических датчиков мультиплексировано в последовательной, параллельной или в последовательной и параллельной конфигурации.
72. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62-71, в которой
15 указанные один или больше оптических датчиков выполнены с возможностью
восприятия изменения значений давления, смещения, напряжения, температуры, ускорения, скорости, вращения, крутящего момента, потока или температуры текучей среды.
73. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 72, в которой
20 указанный по меньшей мере один передающий оптический волновод выполнен в
виде оптоволокна.
74. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 73, в которой указанный по меньшей мере один передающий оптический волновод выполнен в виде поддерживающего поляризацию оптоволокна, такого как поддерживающее
25 поляризацию волокно типа Panda.
75. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 74, в которой указанные один или больше волноводов оптического датчика дополнительно подходят для направления основной моды света, и в которой указанный процессор данных выполнен с возможностью анализа изменений Брэгговской
30 длины волны для основной моды отраженного света.
76. Система с датчиками согласно любому из пунктов 62 - 75, в которой один или больше оптических датчиков представляют собой один или больше оптических датчиков согласно любому из пунктов 1 - 59.
76.
34221 -3577. Способ улучшения чувствительности системы с датчиками, содержащей по меньшей мере один волновод оптического датчика, выполненный с возможностью направления одной световой моды высокого порядка, причем указанный способ включает этап анализа множества сигналов, отраженных от 5 системы оптического датчика для обнаружения изменения Брэгговских длин волн указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система с датчиками, содержащая
- по меньшей мере один многомодовый источник света,
один или больше оптических датчиков, содержащих многомодовый волновод оптического датчика, содержащего распределенный Брэгговский отражатель,
- по меньшей мере один передающий оптический волновод для направления света от указанного по меньшей мере одного источника света к указанным одному или больше оптическим датчикам,
- датчик для измерения света, отраженного от указанного отражателя Брэгга в указанных одном или больше многомодовых волноводов оптического датчика, и
- процессор данных, выполненный с возможностью анализа изменений Брэгговской длины волны указанной по меньшей мере одной моды высокого порядка отраженного света.
2. Система по п. 1, дополнительно содержащая один или больше соединительных элементов для ввода света из указанного по меньшей мере одного передающего оптического волновода в указанные один или больше многомодовых волноводов оптического датчика.
3. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный многомодовый волновод оптического датчика содержит несплошную сердцевину, например полую сердцевину.
4. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный многомодовый волновод оптического датчика обладает только плоской геометрией.
5. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный многомодовый волновод оптического датчика обладает только ленточной геометрией.
6. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой максимальная высота распределенного Брэгговского отражателя меньше
2.
25%, или меньше 20%, или меньше 15% от максимальной высоты многомодового волновода оптического датчика.
7. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой максимальная ширина многомодового волновода оптического датчика по меньшей мере в 10 раз больше или по меньшей мере в 100 раз больше максимальной высоты многомодового волновода оптического датчика.
8. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный процессор данных выполнен с возможностью частотной модуляции отраженного сигнала.
9. Система согласно любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая соединительный элемент, такой как устройство циркуляции для ввода света, отраженного от указанного отражателя Брэгга, в указанный датчик.
10. Система согласно любому из предшествующих пунктов, которая содержит множество мультиплексных оптических датчиков в последовательной, параллельной или последовательной и параллельной конфигурации.
11. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный один или больше оптических датчиков выполнены с возможностью восприятия изменения усилия, давления, смещения, напряжения, температуры, ускорения, скорости, вращения, крутящего момента, потока или температуры текучей среды.
12. Система согласно любому из предшествующих пунктов, в которой указанный один или больше многомодовых волноводов оптического датчика дополнительно подходят для направления основной моды света, и в которой указанный процессор данных выполнен с дополнительной возможностью анализа изменений Брэгговской длины волны основной моды отраженного света.
13. Оптический датчик, содержащий многомодовый волновод,
содержащий
- полую сердцевину для удержания и направления света,
- по меньшей мере один распределенный Брэгговский отражатель,
- по меньшей мере один отклоняющий элемент, выполненный с возможностью изменения геометрии и/или размера волновода и/или полой сердцевины при приложении силы.
14. Оптический датчик по п. 13, в котором волновод обладает только плоской геометрией.
15. Оптический датчик по п. 13, в котором волновод обладает только ленточной геометрией.
16. Оптический датчик согласно любому из пунктов 13 - 15, в котором максимальная высота распределенного Брэгговского отражателя составляет меньше 10% от максимальной высоты сердцевины волновода.
17. Оптический датчик согласно любому из пунктов 13 - 16, в котором максимальная ширина волновода по меньшей мере в 100 раз превышает максимальную высоту волновода.
18. Оптический датчик согласно любому из пунктов 13 - 17, в котором волновод выполнен из двух скрепленных подложек, таких как подложки из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца, и в котором волновод выполнен в виде выемки в одной из указанных кремниевых подложек.
19. Оптический датчик согласно любому из пунктов 13 - 18,
дополнительно содержащий один или больше, предпочтительно два
волновода со сплошной сердцевиной, смежных с волноводом с несплошной
сердцевиной.
20. Оптический датчик по п. 19, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнены в виде управляемых показателем преломления волноводов со сплошной сердцевиной.
21. Оптический датчик по п. 19, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнены в виде фотонного кристалла или волноводов на фотонном кристалле.
20.
22. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19 - 21, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнены с возможностью работать в качестве соединительных элементов для ввода света в несплошную сердцевину волновода с несплошной сердцевиной и/или вывода света из нее.
23. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19-22, в котором размер одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнен в соответствие с размером несплошной сердцевины волновода с несплошной сердцевиной.
24. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19-23, в котором размер одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнен в соответствие с размером передающего волновода, например оптоволокна.
25. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19-24, в котором область моды одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнена в соответствие с областью моды волновода с несплошной сердцевиной.
26. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19-25, в котором область моды одного конца сплошной сердцевины указанных одного или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнена в соответствие с областью моды передающего волновода, например оптоволокна.
27. Оптический датчик согласно любому из пунктов 19 - 26, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной заострены на одном или обоих концах волноводов.
28. Оптический датчик согласно любому из предшествующих пунктов 19 - 27, в котором волновод с несплошной сердцевиной и указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной выполнены из двух соединенных подложек, таких как подложки из кремния или пирекса или кварца или плавленого кварца.
29. Оптический датчик согласно пункту 28, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной ограничены вертикально по меньшей мере тремя горизонтальными слоями на одной из подложек,
20.
причем средний слой имеет более высокий показатель преломления, чем верхний и нижний слои оболочки.
30. Оптический датчик согласно любому из пунктов 28 - 29, в котором указанные один или больше волноводов со сплошной сердцевиной ограничены горизонтально вертикальными выемками по меньшей мере в одной из подложек или отверстиями, проходящими через эти подложки.
31. Использование оптического датчика согласно любому из пунктов 13 -30 в силоизмерительной системе.
32. Способ улучшения чувствительности системы с датчиками,
содержащей по меньшей мере один многомодовый волновод оптического
датчика, причем указанный способ включает этап анализа множества
сигналов, отраженных от системы с оптическими датчиками для обнаружения
изменения Брэгговских длин волн указанной по меньшей мере одной моды
высокого порядка отраженного света.
*-\ЛЛЛ/
Отраженный свет
¦ ' ' Пропущенный свет
Э Э Э Э Э Э Э |ЛЛЛА-
Фиг, 1а
Фиг. За
Сердцевина волновода
Окружающая ер еда(о болонки)
Отклонение
Свет
П П П П {0
Решетка Брэгга Отклонение
Фиг. ЗЬ
1510 1520 1530 1549 1550 1500 1570 1580 1590 1600
Джина волны (нм) Фиг. 4
К 10
Мембрана
¦ Решетка Брэгга
-V/.
Мембр ана Решетка Брэгга
Фиг. 6с
Фиг. 7 а
Сила
Решетка Брэгга
1/1///////////У//////(?//
Оптоволокно (вывод)
Секциж ввода
Секция вывода
Фиг. 10а
Решетка Брэгга
uxsxru
Заостренная секциж ввода Заостренная секция: вывода
Фиг. 10b
Свет
Элемент рифления Сила Элемент рифления
Свет
Фиг. 1 lb
Ускоряемая масса
Решетки Брэгга
Решетки Брэгга
Спектр отражения
Мощность
Волноводы
Волноводы Фиг. 14А
Длинаволны
/// <
r:uv'*:-'".u":
Фиг. 14В
Фиг. 14С
Фиг. 14D
Волновод
Решетка Брэгга
Фмг, 15А
Решетки Бр эгга (различные периоды) Фиг. 15В
Волновод
'•'-'/SWA [ч-"> у-у А*
- - ¦> . у < - ' •', /•' f
Решетки Брэгга (различныепериоды)
Фиг. 15С
¦ ? О о
Датчикз Датчик 4 Датчике
спектра
Фиг. 16Ь
34221 -4-
34221 -1-
-22-
34221
34221 -21-
34221 -24-
34221 -24-
34221 -26-
34221 -29-
34221 -29-
-36-
34221
-36-
34221
1/13
34221
1/13
34221
1/13
34221
1/13
34221
2/13
34221
2/13
34221
2/13
34221
2/13
34221
2/13
34221
2/13
34221
3/13
34221
3/13
34221
3/13
34221
3/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
4/13
34221
5/13
34221
5/13
34221
6/13
34221
7/13
6/13
34221
7/13
6/13
34221
7/13
6/13
34221
7/13
6/13
34221
7/13
6/13
34221
7/13
8/13
34221
7/13
9/13
34221
9/13
34221
10/13
34221
10/13
34221
10/13
34221
10/13
34221
11/13
34221
11/13
34221
12/13
34221
12/13
34221
12/13
34221
12/13
34221
13/13
34221
13/13
34221