СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРОСА ДАТЧИКОВ РЕЗОНАНСНОГО ТИПА МНОГОКАНАЛЬНОЙ СЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ФОТОННОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/31 

Изобретение относится к области сенсорных систем и интегральной фотоники. Данный способ может найти применение в химико-биологических и медицинских отраслях, где проводятся исследования различных жидкостей и газов рефрактометрическими датчиками. Способ опроса основан на одновременной регистрации изменения оптической мощности на выходных портах датчиков с применением элемента формирователя огибающей спектра для обеспечения многоканальности сенсорной системы.

Известен способ опроса датчика на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР) по интенсивности, включающий пропускание широкополосного источника излучения через опрашиваемый датчик ВБР путем прохождения через оптический циркулятор и последующего направления полученного сигнала на микрокольцевой резонатор (МКР), используемый в качестве полосового фильтра, подключенного к двум фотодетекторам [статья A. Giacobbe, L. Tozzetti, F. D. Pasquale, S. Faralli «Fast FBG sensor interrogation method based on silicon microring resonators» IEEE SENSORS, Rotterdam, Netherlands, pp. 1-4, October 2020]. При использовании данного способа опроса отслеживается изменение резонансной длины волны одного ВБР-датчика (вызванное механическим воздействием на него) и переводится в изменение мощности на выходе схемы.

Недостатками известного способа опроса оптического датчика по интенсивности являются: невозможность опрашивать несколько датчиков одновременно, реализация схемы опроса на дискретных оптических элементах. В сравнении с интегральными элементами дискретные обладают большими массогабаритными характеристиками, а также большими потерями на соединениях, что уменьшает общую чувствительность системы.

Известен способ опроса нескольких последовательно соединенных датчиков на ВБР, включающий волноводную решетку (англ. Arrayed Waveguide Grating, AWG) на основе планарного оптического делителя (англ. Planar Lightwave Cirquit, PLC) [K. Li, P. Yuan, L. Lu, M. Dong, L. Zhu «PLC-Based Arrayed Waveguide Grating Design for Fiber Bragg Grating Interrogation System» Nanomaterials, 12(17), 2938, 2022]. Данный способ опроса использует 36 канальную реализацию AWG с шагом длин волн между каналами, равным 1,6 нм. К выходам AWG подключен массив из фотодетекторов, которые используются для оценки изменения оптической мощности каждого выходного канала AWG, а фильтрация обеспечивается за счет функции мультиплексирования с разделением по длине волны (англ. Wavelength-Division Multiplexing, WDM).

К недостаткам данного способа относятся: сложная схема опроса, включающая множество дискретных оптических элементов, кроме того он не подходит для опроса массива датчиков на фотонной интегральной схеме.

Известен способ опроса датчиков на фотонной интегральной схеме (ФИС) по интенсивности путем пропускания широкополосного лазерного излучения через сенсорный элемент, характеристика с которого затем попадает на элемент интеррогатора (устройства опроса) датчика и в зависимости от области амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) интеррогатора, на которую попадет сигнал на фотодетекторах, подключенных к выходам интеррогатора, будет меняться мощность [статья G. Voronkov, A. Zakoyan, V. Ivanov, D. Iraev, I. Stepanov, R. Yuldashev, E. Grakhova, V. Lyubopytov, O. Morozov, R. Kutluyarov «Design and Modeling of a Fully Integrated Microring-Based Photonic Sensing System for Liquid Refractometry» Sensors, 22(23), 9553, 2022]. Данный способ подходит для создания полностью интегральной схемы опроса, но не подходит для опроса нескольких датчиков одновременно.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей способа опроса датчиков на ФИС путем увеличения максимального количества одновременно опрашиваемых датчиков.

Технический результат - снижение потерь на соединениях и уменьшение затухания сигнала в схеме.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются способом одновременного опроса датчиков резонансного типа многоканальной сенсорной системы па основе фотонной интегральной схемы, включающим предварительное формирование спектра опрашивающего сигнала путем пропускания широкополосного лазерного излучения через устройство формирователя огибающей спектра и подачу полученного сигнала на входные порты нескольких параллельно подключенных датчиков через оптический разветвитель, по выходным сигналам которых посредством фотодетекторов определяют изменение оптической мощности в спектре по интенсивности, в качестве формирователя огибающей спектра используется микроколыдевой резонатор или интерферометр Маха-Цендера, причем добротность формирователя огибающей спектра ниже, чем добротность датчиков.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема системы опроса нескольких датчиков, на фиг.2 представлен спектр широкополосного лазерного излучения, выступающего как источник, на фиг.3 приведен спектр сформированного сигнала, полученный путем прохождения широкополосного излучения через элемент формирователя огибающей спектра, на фиг.4 представлена частотная характеристика формирователя огибающей и характеристики четырех датчиков, иллюстрирующие изменение коэффициента передачи датчиков в зависимости от того, на какой участок характеристики формирователя они попадают.

Система опроса (фиг. 1) содержит широкополосный источник оптического излучения 1, который подключен к устройству формирователя огибающей спектра 2. В качестве формирователя огибающей спектра может выступать любой оптический элемент, имеющий линейный или квазилинейный участок АЧХ. Подобной характеристикой обладают, например, микрокольцевой резонатор или интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ). Крутизна АЧХ формирователя огибающей должна быть существенно ниже, чем датчиков. В случае использования в качестве формирователя и сенсоров МКР необходимым условием для работы схемы является то, что добротность Q формирователя должна быть ниже, чем сенсоров. Q можно рассчитать по формуле:

где Х,т - резонансная длина волны, FWHM - полная ширина на половине максимума высоты. Чтобы повысить/понизить добротность элемента необходимо уменьшить/увеличить FWHM. FWHM для микрокольцевого резонатора определяется как:

где к,ик2 - коэффициенты каплинга на верхней и нижней областях МКР, neg

- эффективный показатель преломления (ПП) волновода, L - длина окружности кольца резонатора.

FWHM для интерферометра Маха-Цендера определяется как:

где L - длина плеч интерферометра.

Таким образом, уменьшение добротности формирователя огибающей спектра уменьшает крутизну передаточной характеристики, что позволяет опрашивать большее количество датчиков.

Сигнал, сформированный элементом формирователя огибающей спектра, затем поступает на блок разветвителя (делителя) оптического излучения 3, к выходам которого подключен блок с опрашиваемыми сенсорами 4.

На фиг. 2 представлен спектр источника широкополосного излучения, который подается на элемент формирователя огибающей и на выходе получается частотная характеристика, представленная на фиг. 3. Этот сигнал поступает на датчики резонансного типа, принцип работы которых заключается в следующем: на сенсоре находится открытая область (микрофлюидный канал), на которую попадает анализируемое вещество и при изменении какого-либо параметра вещества (температуры, концентрации, состава и др.) происходит изменение показателя преломления (ПП) вещества, что вызывает изменение эффективного ПП волноводов датчика. Это приводит к смещению резонансных длин волн в спектре, как показано на фиг. 4.

Для высокого качества работы сенсорной системы необходимо обеспечить выполнение следующего условия: длины волн резонансных характеристик сенсора и формирователя близки в диапазоне длин волн, используемых для работы сенсорной системы, и существенно отличны в остальном частотном диапазоне широкополосного источника, как это представлено на фиг. 4. Такое соотношение позволяет нивелировать влияние других резонансных пиков датчиков.

Подбирать широкополосный источник следует таким образом, чтобы ширина полосы его излучения незначительно превышала половину FWHM формирователя, а центральная длина волны соответствовала середине монотонного участка АЧХ формирователя, используемого для преобразования изменения длины волны излучения в изменение интенсивности. На фиг. 4 представлены частотные характеристики нескольких датчиков, которые фиксируют изменение ПП жидкости. Это изменение приводит к смещению пиков датчика в спектральной области, а наклонная характеристика формирователя огибающей позволяет трансформировать смещение резонансных пиков в изменение оптической мощности. Блок датчиков подключен к блоку фотодетекторов 5 и таким образом, величина фототока на каждом фотодиоде определяется взаимным расположением спектров пропускания датчиков и формирователя спектра.

Максимальное количество опрашиваемых датчиков зависит от затухания в цепи, чувствительности и типа используемых фотодиодов, а также мощности широкополосного источника.

Итак, заявленный способ опроса датчиков резонансного типа на фотонной интегральной схеме позволяет повысить количество опрашиваемых устройств, а минимальное количество компонентов в схеме опроса и высокая степень ее интеграции приводит к снижению потерь на соединениях и затухания сигнала.

Изобретение относится к области интегральной фотоники и касается способа одновременного опроса датчиков резонансного типа многоканальной сенсорной системы на основе фотонной интегральной схемы. Способ включает предварительное формирование спектра опрашивающего сигнала путем пропускания широкополосного лазерного излучения через устройство формирователя огибающей спектра и подачу полученного сигнала на входные порты нескольких параллельно подключенных датчиков через оптический разветвитель, по выходным сигналам которых посредством фотодетекторов определяют изменение оптической мощности в спектре по интенсивности. В качестве формирователя огибающей спектра используется микрокольцевой резонатор или интерферометр Маха-Цендера, причем добротность формирователя огибающей спектра ниже, чем добротность датчиков. Технический результат заключается в снижении потерь на соединениях и уменьшении затухания сигнала в схеме. 4 ил.

Способ одновременного опроса датчиков резонансного типа многоканальной сенсорной системы на основе фотонной интегральной схемы, включающий предварительное формирование спектра опрашивающего сигнала путем пропускания широкополосного лазерного излучения через устройство формирователя огибающей спектра и подачу полученного сигнала на входные порты нескольких параллельно подключенных датчиков через оптический разветвитель, по выходным сигналам которых посредством фотодетекторов определяют изменение оптической мощности в спектре по интенсивности, в качестве формирователя огибающей спектра используется микрокольцевой резонатор или интерферометр Маха-Цендера, причем добротность формирователя огибающей спектра ниже, чем добротность датчиков.