专利名称：波长可调谐光电探测器、光波长探测系统及方法
技术领域：
本发明涉及光波长探测技术领域，特别涉及一种波长可调谐光电探测器、光波长探测系统及方法。
背景技术：
光传感,尤其是基于光纤光栅技术的光传感因其具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体小质轻等特点，目前在土木建筑、石油、电力、交通、矿业、医学等诸多领域获得了越来越广泛的应用。滤波检测式光纤光栅传感系统结构如图I所示，一般由宽带光源、光纤光栅传感器、光波长探测仪及无源光器件等部分构成。其中，光源发出的宽带光信号经耦合器等无源光器件耦合并经光纤传输至光纤光栅传感器，待测物理量通过光纤光栅对其反射光波长参量进行编码，并由光波长探测仪检测出光纤光栅的反射光波长进而实现对待测物理量的测量。
在目前的滤波检测式光纤光栅传感系统中，光波长探测仪一般采用压电陶瓷(PZT)�？榛虿浇缁璞咐吹餍陈瞬ㄆ鞯耐干�/反射波长，以实现滤波器与光纤光栅传感器反射波长的匹配，进而实现对待测光波长的检测。目前所使用的方法存在成本高、体积大、集成度低等不足，极大的制约了光纤光栅传感技术的发展与应用。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是在光波长探测时如何降低成本、降低体积重量及提高集成度。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种波长可调谐光电探测器，其特征在于，包括半导体基质F-P腔窄带滤波器和与所述半导体基质F-P腔窄带滤波器键合的p-i-n光电探测器，所述半导体基质基底F-P腔窄带滤波器用于对接收的待测光信号滤波，并将透射后的光信息号传输至所述p-i-n光电探测器的吸收层。其中，所述F-P腔窄带滤波器为GaAs基底F-P腔窄带滤波器，所述p_i_n光电探测器为InP基底光电探测器。其中，所述波长可调谐光电探测器还包括自聚焦棒，所述自聚焦棒用于将所述待测光信号耦合进所述半导体基质F-P腔窄带滤波器。本发明还提供了一种光波长探测系统，包括F_P腔透射谱控制�？椤⒐獠ǔさ鹘獯砟？椤⒐獾缣讲馄魇涑龅缌骷觳饽？榧吧鲜龅牟ǔた傻餍彻獾缣讲馄鳎龉獠ǔさ鹘獯砟？榱覨-P腔透射谱控制�？楹凸獾缣讲馄魇涑龅缌骷觳饽？椋凰鯢-P腔透射谱控制�？榱铀霭氲继寤蔉-P腔窄带滤波器的两个F-P滤波腔调整电极，用于受所述光波长调解处理模块的控制产生周期性变化的电压，并将所述周期性变化的电压传输给所述半导体基质F-P腔窄带滤波器；所述光电探测器输出电流检测�？榱铀鯬-i-n光电探测器的两个探测电极，用于将检测到的p-i-n光电探测器的输出光电流传输给所述光波长调解处理�？椤１痉⒚骰固峁┝艘恢掷蒙鲜龅墓獠ǔぬ讲庀低程讲夤獠ǔさ姆椒ǎㄒ韵虏街鑃I :将待测光信号经光纤耦合至光纤光栅传感器；S2:被光纤光栅传感器反射的待测光信号由光纤尾纤耦合进入所述波长可调谐光电探测器的半导体基质F-P腔窄带滤波器；S3 :所述光波长调解 处理�？榭刂艶-P滤波腔调谐控制�？椴芷谛钥刂频缪梗⒓又了鯢-P滤波腔调整电极上，波长可调谐光电探测器中半导体基质F-P滤波腔在外加周期性电压作用下，其F-P滤波腔内部产生周期性变化电流，电流热效应使F-P滤波腔产生与电流大小成线性关系的温度变化，使F-P滤波腔折射率及所述待测光信号通过F-P滤波腔的透射光波长产生周期性变化；S4 :在上述步骤S3中，所述光电探测器输出光电流检测模块实时监测p-i-n光电探测器输出的光电流，完成A/D转换并实时发送至所述光波长探测处理�？椋籗5 :所述光波长探测处理�？楦軫-P滤波腔调谐控制�？槭涑龅牡餍车缪辜疤讲獾降墓獾缌魈讲獯夤庑藕诺牟ǔ�。其中，所述步骤SI中光纤耦合的方式为采用自聚焦棒的方式耦合。其中，所述F-P滤波腔调谐控制模块产生的调谐电压为周期性锯齿形电压。其中，所述步骤S5中采用峰值光电流匹配算法探测所述待测光信号的光波长，具体为确定P-i-n光电探测器探测电极间输出光电流最大时的F-P滤波腔调整电极的外加电压，计算得到所述半导体基质F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长。其中，所述步骤S5中采用半峰值功率平均算法探测所述待测光信号的光波长，具体为确定P-i-n光电探测器探测电极间输出光电流为峰值1/2时的两处F-P滤波腔调整电极的外加电压，通过平均算法计算得到所述半导体基质F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长。(三)有益效果本发明通过键合半导体基质F-P腔窄带滤波器和p-i-n光电探测器，实现了波长可调谐光电探测器，及利用所述波长可调谐光电探测器的光波长探测系统来实现光波长探测的方法，通过外加周期性调谐电压，使波长可调谐光电探测器中的F-P滤波腔透射光波长产生周期性变化，并对透射光功率进行实时监测，利用峰值光电流匹配算法进行处理，实现对光波长探测解调，从而提供了一种低成本、高集成度、体积小、便携化的光波长探测系统及方法。
图I是现有的滤波检测式光纤光栅传感系统结构图；图2是本发明实施例的一种波长可调谐光电探测器结构示意图；图3是图2中的波长可调谐光电探测器中的GaAs基底F-P腔窄带滤波器和InP基底光电探测器键合微结构示意图，不同的阴影层表述两个反射面是多层镀膜的结构；图4是本发明的基于波长可调谐光电探测器的光波长探测系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图2所示，为本发明实施例的一种波长可调谐光电探测器结构示意图，包括半导体基质F-P (法布里-帕罗)腔窄带滤波器及与之键合的p-i-n光电探测器，半导体基质F-P腔窄带滤波器用于将接收的待测光信号经过F-P滤波腔的透射后的光信息号照射到p-i-n光电探测器的吸收层。F-P滤波腔利用半导体基质材料的热光效应通过在F-P滤波腔调整电极外加调谐电压(产生调谐电流)使F-P滤波腔产生温度变化，进而使F-P滤波腔折射率及有效腔长产生改变，从而实现F-P腔透射光波长变化。本实施例中，半导体基质为GaAs (砷化镓)，即半导体基质F-P腔窄带滤波器为GaAs基底F-P腔窄带滤波器，p_i_n光电探测器为InP (磷化铟)基底光电探测器。其中，GaAs基底F-P腔窄带滤波器和InP基底光电探测器键合微结构如图3所示。对于F-P腔窄带滤波器，是在GaAs衬底上通过金 属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长而成，由底镜(F-P腔反射面I)、腔体区(厚度为两波长)、顶镜(F-P腔反射面2)构成，其中底镜和顶镜分别由23对和22对四分之一波长的GaAs/Al0.9Ga0. As构成。对于光电探测器部分，也是通过MOCVD技术在InP衬底上生长而成，由p-i-n吸收部分构成。该波长可调谐光电探测器工作原理如下待测光信号(光波长缓慢变化)由光纤直接耦合或经自聚焦棒耦合进波长可调谐光电探测器，经F-P腔滤波后透射传输至InP基底光电探测器，由探测器的吸收层吸收并在探测器的探测电极间产生光电流，且输出光电流大小与F-P滤波腔透射光功率成确定比值。优选地，该波长可调谐光电探测器还包括自聚焦棒，自聚焦棒用于将待测光信号耦合进半导体基质F-P腔窄带滤波器。如图4所示，为基于波长可调谐光电探测器的光波长探测系统结构示意图。该光波长探测系统包括F-P腔透射谱控制�？�、光波长调解处理�？�、光电探测器输出电流检测�？榧吧鲜霾ǔた傻餍彻獾缣讲馄鳎獠ǔさ鹘獯砟？榱覨-P腔透射谱控制�？楹凸獾缣讲馄魇涑龅缌骷觳饽？椋籉-P腔透射谱控制�？榱覩aAs基底F-P腔窄带滤波器的两个F-P滤波腔调整电极，用于受光波长调解处理�？榈目刂撇芷谛员浠牡缪梗⒔芷谛员浠牡缪勾涓鳪aAs基底F-P腔窄带滤波器；光电探测器输出电流检测�？榱覫nP基底光电探测器的两个探测电极，其间可并联电阻R，用于将检测到的InP基底光电探测器的输出光电流传输给光波长调解处理�？椋觳獾降牡缌骷次鞴缱鑂的电流。光波长调解处理�？楦軫-P滤波腔调谐控制�？槭涑龅牡餍车缪辜疤讲獾降墓獾缌鳎丛ど璧姆逯倒獾缌髌ヅ渌惴ń写恚迪侄怨庀斯庹ご衅鞣瓷涔獠ǔさ奶讲狻-P腔透射谱控制�？橛墒菔辗⒌ピ�、D/A (数/模)转换单元和电源�？楣钩�。其中，数据收发单元接收光波长调解处理�？榈牡缪箍刂剖荩⒋渲罝/A转换单元，由D/A转换单元完成D/A转换并输出控制电压，此控制电压控制调整F-P腔透射谱。光波长调解处理�？橛墒菔辗⒌ピ�、控制及数据处理单元、存储单元、显示单元、电源�？榈裙钩桑渲锌刂萍笆荽淼ピ芷谛缘缪箍刂剖荩墒菔辗⒌ピ⑺椭罠-P腔透射谱控制�？椋糜谥芷谛缘餍矲-P腔透射谱，数据收发单元同时接收光电探测器输出电流检测�？榈氖荩煽刂萍笆荽淼ピ惺荽聿⒉獾鹘峁獾鹘峁上允镜ピ邢允�。光电探测器输出电流检测模块由A/D (模/数)转换单元、电源�？楹褪菔辗⒌ピ钩�。其中A/D转换单元完成光电探测器输出光电流的数/模转换，并由数据收发单元发送至光波长调解处理�？�。本发明还提供了一种利用上述的光波长探测系统探测光波长的方法，包括以下步骤步骤I，将待测光信号经光纤耦合至光纤光栅传感器，优选 采用自聚焦棒的方式耦
口 ο步骤2，被所述光纤光栅传感器反射的待测光信号由光纤尾纤耦合进入所述波长可调谐光电探测器的GaAs基底F-P腔窄带滤波器。步骤3，光波长调解处理�？榭刂艶-P滤波腔调谐控制�？椴芷谛跃獬菪蔚缪梗⒓又了鯢-P滤波腔调整电极上，波长可调谐光电探测器中GaAs基底F-P滤波腔在外加周期性电压作用下，其滤波腔内部产生周期性变化电流，电流热效应使F-P滤波腔产生与电流大小成线性关系的温度变化，使F-P滤波腔折射率及所述待测光信号通过F-P滤波腔的透射光波长产生周期性变化。步骤4，上述步骤3中通过F-P滤波腔的波长为周期性变化的透射光由InP基底光电探测器吸收层吸收并在探测器探测电极间产生光电流，且输出光电流大小与F-P腔透射光功率成线性比例关系。光电探测器输出光电流检测�？槭凳奔嗖釯nP基底光电探测器输出的光电流，完成A/D (模/数)转换并实时发送至光波长探测处理�？�。步骤5，光波长探测处理�？楦軫-P滤波腔调谐控制�？槭涑龅牡餍车缪辜疤讲獾降墓獾缌鳎丛ど璧姆逯倒獾缌髌ヅ渌惴ń写恚迪侄怨庀斯庹ご衅鞣瓷涔獠ǔ�(即待测光信号)的探测。可采用峰值光电流匹配算法测出待测光信号的波长，具体为按预定规律使F-P滤波腔调整电极外加调谐电压周期性变化，从而使得F-P滤波腔透射波长周期性变化，因此，当外加电压变化至某一值时，F-P滤波腔透射光中心波长与待测光中心波长重合，此时InP基底光电探测器接收到的F-P滤波腔透射光最强，从而InP基底光电探测器电极间输出光电流最大。因此，确定InP基底光电探测器电极间输出光电流最大时的F-P腔调整电极的外加电压，根据该外加电压可计算得到F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长，从而实现对待测光波长的探测解调。还可采用半峰值功率平均算法测出待测光信号的光波长，具体为确定InP基底光电探测器探测电极间输出光电流为峰值1/2时的两处F-P滤波腔调整电极的外加电压，根据两处F-P滤波腔调整电极的外加电压，利用平均算法计算得到所述半导体基质F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长。按照本发明，可以实现对光波长的低成本、高集成度的探测解调。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种波长可调谐光电探测器，其特征在于，包括半导体基质F-P腔窄带滤波器和与所述半导体基质F-P腔窄带滤波器键合的p-i-n光电探测器，所述半导体基质基底F-P腔窄带滤波器用于对接收的待测光信号滤波，并将透射后的光信息号传输至所述P-i-n光电探測器的吸收层。
2.如权利要求I所述的波长可调谐光电探測器，其特征在干，所述F-P腔窄带滤波器为GaAs基底F-P腔窄带滤波器，所述p-i-n光电探测器为InP基底光电探测器。
3.如权利要求I或2所述的波长可调谐光电探測器，其特征在于，所述波长可调谐光电探测器还包括自聚焦棒，所述自聚焦棒用于将所述待测光信号耦合进所述半导体基质F-P腔窄带滤波器。
4.ー种光波长探测系统，其特征在于，包括F-P腔透射谱控制�？�、光波长调解处理�？�、光电探测器输出电流检测模块及权利要求I 3任一所述的波长可调谐光电探測器， 所述光波长调解处理�？榱覨-P腔透射谱控制模块和光电探测器输出电流检测�？椋凰鯢-P腔透射谱控制模块连接所述半导体基质F-P腔窄带滤波器的两个F-P滤波腔调整电极，用于受所述光波长调解处理�？榈目刂撇芷谛员浠牡缪梗⒔鲋芷谛员浠牡缪勾涓霭氲继寤蔉-P腔窄带滤波器；所述光电探测器输出电流检测�？榱铀鯬-i-n光电探测器的两个探测电极，用于将检测到的p-i-n光电探测器的输出光电流传输给所述光波长调解处理�？�。
5.ー种利用权利要求4所述的光波长探测系统探测光波长的方法，其特征在于，包括以下步骤 SI :将待测光信号经光纤耦合至光纤光栅传感器； S2:被光纤光栅传感器反射的待测光信号由光纤尾纤耦合进入所述波长可调谐光电探测器的半导体基质F-P腔窄带滤波器； 53:所述光波长调解处理�？榭刂艶-P滤波腔调谐控制�？椴芷谛钥刂频缪梗⒓又了鯢-P滤波腔调整电极上，波长可调谐光电探測器中半导体基质F-P滤波腔在外加周期性电压作用下，其F-P滤波腔内部产生周期性变化电流，电流热效应使F-P滤波腔产生与电流大小成线性关系的温度变化，使F-P滤波腔折射率及所述待测光信号通过F-P滤波腔的透射光波长产生周期性变化； 54:在上述步骤S3中，所述光电探测器输出光电流检测�？槭凳奔嗖鈖-i-n光电探测器输出的光电流，完成A/D转换并实时发送至所述光波长探测处理�？椋� 55:所述光波长探测处理�？楦軫-P滤波腔调谐控制�？槭涑龅牡餍车缪辜疤綔y到的光电流探测待测光信号的波长。
6.如权利要求5所述的探測光波长的方法，其特征在于，所述步骤SI中光纤耦合的方式为采用自聚焦棒的方式耦合。
7.如权利要求5所述的探測光波长的方法，其特征在于，所述F-P滤波腔调谐控制�？椴牡餍车缪刮芷谛跃獬菪蔚缪埂�
8.如权利要求5所述的探測光波长的方法，其特征在于，所述步骤S5中采用峰值光电流匹配算法探測所述待测光信号的光波长，具体为确定P-i-n光电探测器探测电极间输出光电流最大时的F-P滤波腔调整电极的外加电压，计算得到所述半导体基质F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长。
9.如权利要求5所述的探測光波长的方法，其特征在于，所述步骤S5中采用半峰值功率平均算法探測所述待测光信号的光波长，具体为确定P-i-n光电探测器探测电极间输出光电流为峰值1/2时的两处F-P滤波腔调整电极的外加电压，通过平均算法计算得到所述半导体基质F-P腔滤波器透射波长，进而得到待测光波长。
全文摘要
本发明公开了一种波长可调谐光电探测器，包括半导体基质F-P腔窄带滤波器和与所述半导体基质F-P腔窄带滤波器键合的p-i-n光电探测器，本发明还公开了一种基于波长可调谐光电探测器的光波长探测系统，包括F-P腔透射谱控制�？椤⒐獠ǔさ鹘獯砟？�、光电探测器输出电流检测模块及所述的波长可调谐光电探测器；本发明还公开了一种利用所述系统探测光波长的方法。本发明实现了低成本、高集成度、体积小、便携化的光波长探测系统及方法。
文档编号G01J9/00GK102650553SQ20111004673
公开日2012年8月29日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者张民, 张治国, 王立芊, 陈雪 申请人:北京邮电大学
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