[发明专利]包括集成片上光波导的光热气体检测器

说明书

一种装置包括集成波导结构和第一光源，该第一光源能够操作以产生具有第一波长的探测束，其中该探测束耦合到波导结构的第一端。第二光源能够操作以产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束路径的气体分子。光检测器耦合到集成波导结构的第二端，并且能够操作用于在探测束穿过波导结构之后检测探测束。该装置是能够操作的，使得气体分子的激发导致气体分子的温度升高，这引起可由光检测器测量的探测束的变化。

技术领域

本公开涉及片上气体检测系统。

背景技术

用于检测低浓度示踪气体的非侵入性技术可用于环境、生物和医疗应用的范畴。例如，光热或光偏转技术基于光束通过局部折射率梯度的偏转，该折射率梯度是由示踪气体吸收另一光束而产生的。

发明内容

本公开描述了基于光热效应的气体检测的系统，其中气体分子的激发通过具有特征波长的一个光束(即泵浦或激发束)进行，并且其中测量通过另一光束(即探测束)进行。

例如，在一个方面，本公开描述了一种包括集成波导结构的装置。该装置还包括第一光源，该第一光源能够操作以产生具有第一波长的探测束，其中该探测束耦合到波导结构的第一端中。第二光源能够操作以产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束的路径的气体分子。该装置包括光检测器，该光检测器耦合到集成波导结构的第二端，并且能够操作以在探测束穿过波导结构之后检测探测束。该装置能够操作以使得气体分子的激发导致气体分子的温度升高，温度升高引起能够由光检测器测量的探测束中的变化。

一些实施方式包括一个或多个以下特征。例如，在一些情况下，集成波导结构包括条形波导或肋形波导。在一些情况下，集成波导结构包括法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪、光子晶体或马赫曾德尔(Mach Zehnder)干涉仪中的至少一个。

在一些实施方式中，集成波导结构具有参考臂和探测臂。该装置可以在其上设置有集成波导结构的基板中具有至少一个开口，使得该至少一个开口能够使得气体在激发束与探测束相交的位置处流动。在一些情况下，该装置在基板中具有多个开口，其中该装置能够操作以使得探测束的测量部分行进通过开口中的第一个，并且探测束的参考部分行进通过开口中的第二个。

在一些实施方式中，该装置具有电子或光学反馈系统来控制或调整激发束。

在一些情况下，激发束的路径与探测束的路径相交。因此，在一些实施方式中，集成波导结构包括在其处激发束的路径与探测束的路径相交的温度敏感部分，并且其中温度敏感部分的温度变化引起能够由光检测器测量的探测束中的变化。该装置可以被布置成使得激发束的路径紧随探测束通过集成波导结构的路径。在一些情况下，激发束的路径穿过集成波导结构的一部分。在探测束的自由空间传播期间，激发束的路径可以与探测束的路径相交。

取决于实施方式，第二光源能够在脉冲模式下或在连续模式下操作。该装置可以包括光学元件，该光学元件能够操作以将激发束导向激发束和探测束相交的区域。在一些实施方式中，该装置包括光导，以将来自第二光源的激发束引导至光栅耦合器，其中光栅耦合器能够操作以将激发束导向激发束和探测束相交的区域。

尽管第一和第二波长可以彼此相同，但是在一些情况下，激发束的波长不同于探测束的波长。

在另一方面，本公开描述了一种方法，该方法包括产生具有第一波长的探测束，并将该探测束耦合到集成波导结构的第一端中。该方法还包括产生具有第二波长的激发束，以激发紧靠探测束的路径的气体分子，其中气体分子的激发导致气体分子的温度升高，温度升高引起探测束中相位和/或强度的变化。耦合到集成波导结构的第二端的光检测器用于测量探测束中的变化。

取决于应用，该系统可用于识别气体分子的存在、识别特定的气体分子类型和/或基于检测器输出信号确定气体浓度。在一些情况下，使用集成光波导可以有助于使系统更紧凑、更敏感和/或制造成本更低。

根据以下详细描述、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。