光學(xué)傳感器的制造方法
【專利摘要】在此披露了一種包括測(cè)量（7）及參考（3）干涉儀的裝置。每個(gè)干涉儀被配置成用于接收來(lái)自同一光源（1）的光并且用于將光發(fā)射到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器（6），并且具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的操作點(diǎn)。該測(cè)量干涉儀（7）被配置成用于通過(guò)改變所發(fā)射光的強(qiáng)度來(lái)響應(yīng)一個(gè)物理參數(shù)中的多個(gè)變化，而該參考干涉儀（3）被配置成用于不響應(yīng)該物理參數(shù)中的多個(gè)變化。該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)信號(hào)處理器，用于根據(jù)由這些檢測(cè)器（6）所生成的對(duì)應(yīng)的多個(gè)輸出信號(hào)生成一個(gè)差分輸出信號(hào)。
【專利說(shuō)明】光學(xué)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括測(cè)量干涉儀的裝置，該裝置可以用于形成一個(gè)光學(xué)傳感器。本發(fā)明還涉及可以從其構(gòu)造該裝置一種層狀結(jié)構(gòu)，并且涉及包括該裝置的一種光學(xué)傳聲器。
【背景技術(shù)】
[0002]各種類型的光傳感器利用干涉儀來(lái)檢測(cè)一個(gè)物理參數(shù)中的多個(gè)變化。在此類傳感器中，來(lái)自激光器的光被耦合到一個(gè)干涉儀中，該干涉儀受物理參數(shù)中的變化的影響，以便產(chǎn)生干擾圖案中相應(yīng)的變化。干擾圖案中的這些變化表現(xiàn)為強(qiáng)度變化，這些強(qiáng)度變化可以由光電探測(cè)器檢測(cè)出。
[0003]各種不同的物理參數(shù)可以用于在干擾圖案中引起一個(gè)變化，并且因此可以由這種類型的傳感器所感測(cè)。示例包括壓力(包括氣壓)、應(yīng)力以及位移。
[0004]此類傳感器的信號(hào)噪聲比(SNR)經(jīng)常受到由來(lái)自激光器的光輸出的強(qiáng)度或頻率波動(dòng)引起的噪聲的限制。有多種方法用于穩(wěn)定激光頻率。例如，一種方法利用法布里-珀羅干涉儀或標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)生成一個(gè)誤差分信號(hào)。該標(biāo)準(zhǔn)具將頻率波動(dòng)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度波動(dòng)，其可以由光電探測(cè)器來(lái)檢測(cè)出。所產(chǎn)生的光電流被用作反饋信號(hào)，該反饋信號(hào)要么可以對(duì)該激光器供電電流起作用，要么可以移動(dòng)一個(gè)共振腔反射鏡，例如，從而校正頻率波動(dòng)。
[0005]然而，這種安排既笨重又昂貴。這與許多應(yīng)用是不相容的，在這些應(yīng)用中光學(xué)傳感器的使用將是可取的。例如，在移動(dòng)通信裝置中，需要高度穩(wěn)定且抗沖擊、不受風(fēng)噪聲影響的傳聲器。光學(xué)傳聲器可以利用激光源以及干涉儀提供所有這些特征，因?yàn)槠洳痪哂羞\(yùn)動(dòng)機(jī)件，比如，膜片。然而，還需要此類傳聲器是緊湊的且具有高SNR。同時(shí)，涉及上述的穩(wěn)定技術(shù)可以一定程度上補(bǔ)償激光頻率噪聲，該穩(wěn)定技術(shù)不能補(bǔ)償相對(duì)強(qiáng)度噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明，提供有一種包括測(cè)量及參考干涉儀的裝置，各自被配置成用于接收來(lái)自同一光源的光并且用于將光發(fā)射到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器，并且具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的操作點(diǎn)，其中該測(cè)量干涉儀被配置成用于通過(guò)改變所發(fā)射光的強(qiáng)度響應(yīng)一個(gè)物理參數(shù)中的多個(gè)變化，而該參考干涉儀被配置成用于不響應(yīng)該物理參數(shù)中的多個(gè)變化，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)信號(hào)處理器，用于根據(jù)由這些檢測(cè)器所生成的對(duì)應(yīng)的多個(gè)輸出信號(hào)生成一個(gè)差分輸出信號(hào)。
[0007]來(lái)自同一光源的光被耦合到一個(gè)參考干涉儀以及一個(gè)測(cè)量干涉儀兩者之中，該參考干涉儀對(duì)有待感測(cè)的一個(gè)物理參數(shù)中的多個(gè)變化不敏感或不響應(yīng)，并且該測(cè)量干涉儀響應(yīng)此類變化。因此，兩個(gè)干涉儀將受到來(lái)自該光源的光中的波動(dòng)的影響，但是僅該測(cè)量干涉儀將受該物理參數(shù)中變化的影響；該參考干涉儀與這些變化相隔離。因此，該參考干涉儀中的干涉圖案代表了來(lái)自該光源的噪聲，正如代表來(lái)自該參考干涉儀的對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以用于補(bǔ)償來(lái)自該測(cè)量干涉儀的對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器的信號(hào)中的光源的噪聲，從而使得該信號(hào)僅代表該物理參數(shù)中的變化。因此，SNR增加，并且此外，該裝置可以被制造成非常緊湊的，因?yàn)樗蟮膬H有附加部件是該參考干涉儀。
[0008]該參考和測(cè)量干涉儀中的每一個(gè)的操作點(diǎn)被選定用于實(shí)現(xiàn)具有頻率的干涉儀的透射率的線性變化。圖5示出了該透射率(歸一化到最大值I)與參數(shù)“q”的曲線圖，其中q=4Jind/X(n是干涉儀空腔中的折射率；d是多個(gè)干涉儀反射鏡之間的間隔；以及\是光的波長(zhǎng))。當(dāng)然，參數(shù)q是與光頻成比例的。透射率與q之間的關(guān)系由所謂的“艾里函數(shù)”所代表。圖5還示出了透射率VSq的曲線圖的一階和二階導(dǎo)數(shù)的多個(gè)曲線圖。該透射率VSq的最佳線性度是在二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)處找到的。透射率與q的關(guān)系的二階導(dǎo)數(shù)為零的這個(gè)點(diǎn)因此優(yōu)選地被選定為每個(gè)干涉儀的操作點(diǎn)。
[0009]對(duì)于每個(gè)干涉儀，操作點(diǎn)很可能不同，因?yàn)榧词垢缮鎯x尺寸上的一個(gè)小變化將影響這些操作點(diǎn)的最佳位置。
[0010]可以使用一個(gè)替代性的操作點(diǎn)來(lái)調(diào)諧這些干涉儀，這樣使得操作點(diǎn)處的透射率的值是最大值的75%。這個(gè)點(diǎn)與二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)接近相同。
[0011]可以通過(guò)改變q所依賴的任何參數(shù)來(lái)調(diào)整該操作點(diǎn)。因此，通過(guò)調(diào)整干涉儀空腔中的折射率或空腔的多個(gè)反射鏡之間的間隔，該參考或測(cè)量干涉儀可以被調(diào)諧到該操作點(diǎn)。同樣，光源所發(fā)射的光的波長(zhǎng)可以被調(diào)整成適合該參考或測(cè)量干涉儀的內(nèi)在的或調(diào)整后的操作點(diǎn)。
[0012]該參考干涉儀可以被配置成用于不響應(yīng)物理參數(shù)中的多個(gè)變化，通過(guò)將該參考干涉儀與物理參數(shù)隔離，或通過(guò)對(duì)干涉儀內(nèi)部的空腔進(jìn)行排氣，或通過(guò)用固體的光傳遞材料(比如，玻璃)來(lái)填充干涉儀內(nèi)部的空腔。
[0013]典型地，該測(cè)量和/或參考干涉儀是法布里-珀羅干涉儀。
[0014]該測(cè)量和/或參考干涉儀可以包括一對(duì)間隔開的反射鏡。這些反射鏡可以均是平面反射鏡或曲面反射鏡，或可以包括一個(gè)平面反射鏡和一個(gè)曲面反射鏡。
[0015]對(duì)于這些干涉儀之一而言，該操作點(diǎn)的調(diào)整可以通過(guò)調(diào)整激光波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)(例如，通過(guò)調(diào)整激光器的供電電流)。對(duì)于另一個(gè)干涉儀而言，可以提供一個(gè)調(diào)諧機(jī)構(gòu)。
[0016]因此，該裝置可以進(jìn)一步包括一個(gè)熱調(diào)諧元件，用于調(diào)諧該測(cè)量或該參考干涉儀兩者之一的操作點(diǎn)。這利用了熱光學(xué)效應(yīng)來(lái)熱態(tài)地調(diào)整該測(cè)量或參考干涉儀中光學(xué)介質(zhì)的折射率。
[0017]該裝置可以進(jìn)一步包括一個(gè)調(diào)諧電極，用于調(diào)諧該測(cè)量或該參考干涉儀兩者之一的操作點(diǎn)。這利用了電子光學(xué)效應(yīng)(例如，線性效應(yīng)，比如波克爾斯效應(yīng)或非線性效應(yīng)，比如克爾效應(yīng))通過(guò)一個(gè)外部應(yīng)用電場(chǎng)來(lái)調(diào)整該測(cè)量或參考干涉儀中光學(xué)介質(zhì)的折射率。
[0018]該裝置可以進(jìn)一步包括一個(gè)液晶調(diào)諧元件，被布置在該測(cè)量或該參考干涉儀兩者之一與各自對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器之間。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光源控制器，被適配成用于使得該光源在第一和第二波長(zhǎng)交替地發(fā)光，該測(cè)量和參考干涉儀的操作點(diǎn)分別在該第一和第二波長(zhǎng)處被獲得。以此方式，通過(guò)調(diào)整光源的波長(zhǎng)，該參考和測(cè)量干涉儀在各自的交替操作循環(huán)中被調(diào)諧到各自的操作點(diǎn)。這可以通過(guò)調(diào)整例如光源的供電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)使用這個(gè)操作的“脈沖模式”時(shí)，省略任何附加調(diào)諧元件是可能的。
[0020]典型地，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光隔離器，布置在該光源和該參考干涉儀之間，該光隔離器包括一個(gè)線性偏振器以及一個(gè)四分之一波長(zhǎng)平板。[0021]優(yōu)選地,該光源是一個(gè)激光器。
[0022]該激光器可以有利地是一個(gè)雙發(fā)射激光器，所發(fā)射的第一和第二光束被分別耦合到該測(cè)量和參考干涉儀上。
[0023]雙發(fā)射激光器的使用允許產(chǎn)生一個(gè)特別緊湊的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，該雙發(fā)射激光器是一個(gè)雙面發(fā)射激光二極管，被安排在第一和第二層狀結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)襯底上，各自形成該測(cè)量和參考干涉儀之一，并且各自包括由對(duì)應(yīng)的多個(gè)間隔層間隔開的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的反射鏡層，以及相對(duì)于這些反射鏡層位于該襯底的遠(yuǎn)端的多個(gè)檢測(cè)器層。
[0024]用于該參考干涉儀的對(duì)應(yīng)的間隔層將典型地包括這兩個(gè)對(duì)應(yīng)的反射鏡層之間的一個(gè)空腔，該空腔通過(guò)該間隔層中的一個(gè)孔徑聲學(xué)上與環(huán)境相耦合。
[0025]該第一和第二層狀結(jié)構(gòu)各自可以進(jìn)一步包括多個(gè)光隔離層，這些光隔離層被布置在該襯底與這些對(duì)應(yīng)的反射鏡層中最靠?jī)?nèi)的一個(gè)之間。該光隔離器典型地包括一個(gè)線性偏振器以及一個(gè)四分之一波長(zhǎng)平板。
[0026]該第一和第二層狀結(jié)構(gòu)各自可以進(jìn)一步包括一個(gè)透鏡，該透鏡被布置在該襯底與這些對(duì)應(yīng)的反射鏡層中最靠?jī)?nèi)的一個(gè)之間。該透鏡可以被布置在這些光隔離層與這些對(duì)應(yīng)的反射鏡層中最靠?jī)?nèi)的一個(gè)之間。
[0027]這些檢測(cè)器層可以各自包括一個(gè)對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器。
[0028]典型地，該信號(hào)處理器進(jìn)一步包括一個(gè)自適應(yīng)均值器，用于均衡由這些檢測(cè)器在一個(gè)均衡時(shí)間段內(nèi)生成的對(duì)應(yīng)輸出的平均振幅。這確保了適當(dāng)?shù)叵肼暎词钩鲇谀撤N原因由這兩個(gè)檢測(cè)器所接收的光功率發(fā)生變化時(shí)。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供有一種光學(xué)傳聲器，包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一個(gè)裝置，其中該測(cè)量干涉儀聲學(xué)上與環(huán)境相耦合，該參考干涉儀聲學(xué)上與環(huán)境相隔離，并且該物理參數(shù)是氣壓。
[0030]可以實(shí)現(xiàn)該參考干涉儀的“隔聲”，要么通過(guò)將該參考干涉儀從氣壓中的變化中解耦(例如，通過(guò)不允許該參考干涉儀的空腔與環(huán)境之間進(jìn)行流體連通)，或要么通過(guò)利用一個(gè)固體干涉儀，該固體干涉儀從氣壓中的變化中自然地被解耦。
[0031]該傳聲器特別地適合具有高SNR以及非常緊湊的移動(dòng)通信應(yīng)用。
[0032]典型地，該測(cè)量干涉儀通過(guò)該測(cè)量干涉儀的一個(gè)空腔中的一個(gè)孔徑在聲學(xué)上與所在環(huán)境相耦合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例，其中:
[0034]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種裝置的示意性圖示；
[0035]圖2示出了一個(gè)光學(xué)傳聲器的示意性圖示；
[0036]圖3a和圖3b示出了通過(guò)圖2的光學(xué)傳聲器中的一個(gè)測(cè)量干涉儀的多個(gè)截面；
[0037]圖4示出了通過(guò)一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)(通過(guò)這種層狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生此類光學(xué)傳聲器)的一個(gè)截面；以及
[0038]圖5示出了一種干涉儀的透射率函數(shù)。
【具體實(shí)施方式】[0039]圖1示出了一個(gè)激光源1，例如一個(gè)激光二極管，該激光源發(fā)光，該光穿過(guò)一個(gè)光隔離器2到達(dá)一個(gè)參考法布里-珀羅干涉儀或標(biāo)準(zhǔn)具3。該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3作為一個(gè)鑒頻器。該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以是一個(gè)固體標(biāo)準(zhǔn)具或一個(gè)排空標(biāo)準(zhǔn)具或一個(gè)與周圍環(huán)境隔離的空氣絕緣標(biāo)準(zhǔn)具。
[0040]多個(gè)調(diào)諧電極4被布置在鄰近該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3處，并且用于以建立一個(gè)有利操作點(diǎn)的方式來(lái)影響其透射率特性。該操作點(diǎn)通常是該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的透射率函數(shù)的拐點(diǎn)。這些電極4以電子光學(xué)或熱光效應(yīng)的方式來(lái)影響透射率特性?？商娲?，可以用多個(gè)薄膜電阻或多個(gè)珀耳帖元件替代這些調(diào)諧電極4。這利用了熱或熱光效應(yīng)來(lái)熱態(tài)地改變?cè)搮⒖挤ú祭?珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的透射率特性。
[0041]改變?cè)搮⒖挤ú祭?珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的透射率特性的另一種方式是利用液晶5。該元件可以被放置在參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的內(nèi)部或外部。
[0042]這些調(diào)諧電極4還可以被電流形變的一個(gè)壓電元件所替代，該壓電元件將進(jìn)而將該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3變形。類似地，該液晶5 (如果被使用)可以被一個(gè)電氣變形透鏡所替代。然而，在一些應(yīng)用中(比如，光學(xué)傳聲器)，最好避免使用機(jī)械變形元件。
[0043]為了防止激光源I受到光反饋的影響，在激光源I與參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3之間使用一個(gè)光隔離器2。該隔離器2是線性偏振濾光鏡與四分之一波長(zhǎng)平板的結(jié)合。
[0044]來(lái)自參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的出射光由一個(gè)光電探測(cè)器6所檢測(cè)，例如，一個(gè)PIN型二極管。
[0045]來(lái)自激光源I的光還入射到一個(gè)測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7上，該法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具受物理參數(shù)中的變化的影響(例如，氣壓)。該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7與環(huán)境發(fā)生交互以便受到物理參數(shù)的影響的確切方式將取決于該物理參數(shù)的性質(zhì)。在氣壓的情況下，該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7將簡(jiǎn)單地具有通過(guò)一個(gè)孔徑耦合至空氣的一個(gè)空腔。下面這將變得更清楚。來(lái)自該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7的出射光也是由一個(gè)光電探測(cè)器(未示出)所檢測(cè)，例如，一個(gè)PIN型二極管。來(lái)自該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)將取決于有待測(cè)量的物理參數(shù)中的波動(dòng)以及來(lái)自激光源I的噪聲。
[0046]在來(lái)自該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與來(lái)自光電探測(cè)器6的輸出信號(hào)之間的一個(gè)差分信號(hào)是由一個(gè)差分放大器8所產(chǎn)生的。以此方式，來(lái)自激光源I的共模激光噪聲被消除。為了動(dòng)態(tài)地調(diào)整來(lái)自參考光路(即，通過(guò)參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3以及光電探測(cè)器6)和測(cè)量光路(即，通過(guò)測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7及其光電探測(cè)器)的直流電平，差分放大器8具有前增益級(jí)，兩個(gè)輸出信號(hào)以長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)在該前增益級(jí)中被動(dòng)態(tài)地調(diào)整。
[0047]來(lái)自激光源I的光可以通過(guò)一個(gè)分束器照射在標(biāo)準(zhǔn)具3、7 二者上?？商娲?，可以使用一個(gè)雙面發(fā)射激光源。
[0048]在一種替代性切換模式中，省略這些調(diào)諧電極4和液晶5。激光源I在多個(gè)脈沖中被操作，在該測(cè)量光路和該參考光路之間進(jìn)行交替，從而使得連續(xù)脈沖入射到參考和測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3、7中的一個(gè)或另一個(gè)(但不是兩者)上。在這種切換模式中，可以通過(guò)調(diào)整激光源I電源的電流對(duì)該操作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定。即使該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7的透射率峰值與參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3的透射率峰值不對(duì)應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)具3、7的理想操作點(diǎn)均可以得到，歸因于操作的順序模式。在一個(gè)循環(huán)期間，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具3、7調(diào)整激光源I電流，并且在連續(xù)循環(huán)期間，為另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具3、7調(diào)整激光源I電流。[0049]在由這些光電探測(cè)器檢測(cè)后，仍然由差分放大器8來(lái)進(jìn)行噪聲消除。對(duì)于激光噪聲消除，該切換模式不如使用這些調(diào)諧電極4或液晶5的連續(xù)模式有效。然而，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)示出了仍然可以成功地消除1/f噪聲。其具有允許構(gòu)造一種更緊湊的裝置的優(yōu)點(diǎn)(因?yàn)槭÷粤诉@些調(diào)諧電極4和液晶5)以及具有低整機(jī)功耗的優(yōu)點(diǎn)。
[0050]可以看出，本實(shí)施例是這樣工作的:使用一個(gè)參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具3來(lái)產(chǎn)生噪聲信號(hào)(代表來(lái)自激光源I的噪聲)，以及從使用一個(gè)測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7所產(chǎn)生的信號(hào)中減去該噪聲信號(hào)，以便改進(jìn)測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具7的SNR。標(biāo)準(zhǔn)具3、7均應(yīng)該優(yōu)選地在其各自對(duì)應(yīng)的透射率函數(shù)的拐點(diǎn)處被操作。在這一點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)在所測(cè)量的物理參數(shù)與光輸出之間的線性關(guān)系以及在頻率噪聲與光輸出之間的線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)選擇反射鏡反射率以及反射鏡距離來(lái)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具3、7的邊坡陡度，其方式為所測(cè)量的物理參數(shù)以及頻率噪聲不產(chǎn)生將移動(dòng)遠(yuǎn)離理想操作點(diǎn)的振幅(即，周期透射率函數(shù)的拐點(diǎn))。使用本實(shí)施例，防止激光源I中的頻率以及相位波動(dòng)削弱該裝置的性能，并且達(dá)到量子或起伏噪聲限制是可能的，即使是當(dāng)激光源I是一個(gè)不穩(wěn)定的激光二極管時(shí)。
[0051]圖2示出了基于與圖1的實(shí)施例相同原理的一個(gè)光學(xué)傳聲器。圖2的光學(xué)傳聲器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即，可以在沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)機(jī)件的情況下被制造，比如，在常規(guī)的微型傳聲器中典型地所需要的膜。因此，該光學(xué)傳聲器具有緊湊的尺寸并且非常地魯棒。
[0052]此外，因?yàn)樗鼈冎g的短距離，這些調(diào)諧元件(8)的影響是增強(qiáng)的。例如，調(diào)諧機(jī)構(gòu)可以與電場(chǎng)成比例，該電場(chǎng)進(jìn)而與這些電極(8 )之間的距離成比例。
[0053]激光源10 (例如，一個(gè)PIN型二極管)發(fā)射出的激光入射到由一個(gè)線性偏振濾光鏡11和一個(gè)四分之一波長(zhǎng)平板12組成的一個(gè)光隔離器上。此后，光耦合到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)13中，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)行拆分，這樣使得光沿著一個(gè)測(cè)量光路以及一個(gè)參考光路被傳輸，該測(cè)量光路的主要元件是一個(gè)測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14，該參考光路的元件是由兩個(gè)反射鏡15a、15b所形成的一個(gè)參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。
[0054]提供錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)16a、16b以便將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)13耦合到該測(cè)量法布里_珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14中。這確保了高效耦合到該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14中。錐形減少了由該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)13發(fā)射出的光的發(fā)散度。平行于襯底23 (典型地鈮酸鋰)的平面的維度中的發(fā)散度減少，在該襯底的面上建造光學(xué)傳聲器。
[0055]可以用如圖1的實(shí)施例中所述的鈮酸鋰的相同的方式通過(guò)調(diào)諧多個(gè)電極17或多個(gè)薄膜電阻來(lái)調(diào)諧參考空腔。
[0056]該參考以及測(cè)量14法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具所發(fā)射的光入射到對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器18、19上，并且由一個(gè)差分放大器20獲得該差分信號(hào)。
[0057]可以用圖3a和圖3b所示的兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14。在圖3a中，使用了一個(gè)共心反射鏡結(jié)構(gòu)21 (例如，一個(gè)管或一個(gè)空心磁芯纖維兩者之一)。在圖3b中，一個(gè)平面平行標(biāo)準(zhǔn)具由相對(duì)的多個(gè)平面平行反射鏡22所形成。
[0058]可以用如圖1的實(shí)施例的脈沖式切換模式對(duì)激光源10進(jìn)行操作?；诓煌L(zhǎng)度的兩個(gè)占空比，設(shè)想了兩種不同的切換模式，考慮到高SNR以及低SNR操作。在低SNR操作模式下，當(dāng)占空比較低時(shí)，電流消耗大大減少。
[0059]采用絕緣硅(SOI)技術(shù)來(lái)制造圖2的光學(xué)傳聲器是可能的。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)13的主要優(yōu)點(diǎn)是整合該參考光路的可能性，這樣使得其具有小的物理維度；該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以具有典型地I U m至Imm (長(zhǎng)度)以及I ii m (寬度)的維度。
[0060]為了充當(dāng)一個(gè)傳聲器，該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14聲學(xué)上與環(huán)境相耦合(例如，空氣)。這是通過(guò)在該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14中打洞來(lái)完成，該法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具在該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具14的一個(gè)充氣空腔與周圍的空氣之間提供流體連通。因此，氣壓的變化(比如，由聲波引起的)與該充氣空腔相耦合，并且影響該空腔中的折射率，該折射率被檢測(cè)作為光電探測(cè)器19的光強(qiáng)度變化。
[0061]在圖4中展示了制作與圖2中的光學(xué)傳聲器(雖然沒(méi)有波導(dǎo)結(jié)構(gòu))類似的光學(xué)傳聲器的一種可能的方法。這是一種疊層式或?qū)訝畹慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中若干個(gè)薄光學(xué)層以及元件以彼此接觸的方式堆疊。因此，獲得了一個(gè)緊湊的并且魯棒的傳感器。為了省略圖2中所使用的波導(dǎo)分束器，采用了一個(gè)嵌入在一個(gè)襯底31中的具有雙面發(fā)射的激光二極管30。該激光二極管30可以是一個(gè)垂直腔表發(fā)射激光器(VCSEL)。該VCSEL可以或者被該襯底的局部移除所修改，以便允許從從前側(cè)以及后側(cè)發(fā)光，或者，雙面發(fā)射能夠通過(guò)省略該襯底的部分被專門地制造。可以用于雙面發(fā)射的另一種裝置(再次，通過(guò)修改或?qū)ｉT制造)是一個(gè)分布式反饋(DFB)激光二極管。
[0062]該堆疊的這些層可以由玻璃層、聚合物層、硅層或其他電介質(zhì)層組成，取決于激光二極管30所發(fā)射的光的波長(zhǎng)以及所希望的機(jī)械加工特性。同樣，該堆疊中多種材料的結(jié)合是可能的?？梢圆捎灭ず?、膠合或其他技術(shù)使這些層結(jié)合。
[0063]出射激光光束之一入射到一個(gè)參考光路上；從相對(duì)側(cè)發(fā)射的另一個(gè)激光光束入射到一個(gè)測(cè)量光路上。該參考光路由以下元件組成(按經(jīng)過(guò)的順序):光隔離層32、具有防反射涂膜53的準(zhǔn)直透鏡33、參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的第一反射鏡34、間隔元件35、參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的第二反射鏡36、以及嵌入在襯底38中的光電探測(cè)器37。因此，從第一以及第二反射鏡34、36以及該間隔元件35制造該參考法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，該間隔元件將這兩個(gè)反射鏡34、36間隔開。這些反射鏡34、36中的每一個(gè)配備有防反射涂膜39a、39b、40a、40b。
[0064]該測(cè)量光路在構(gòu)造上是相似的。它由以下元件組成(按經(jīng)過(guò)的順序):光隔離層41、具有防反射涂膜43的準(zhǔn)直透鏡42、測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的第一反射鏡44、間隔元件45、測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的第二反射鏡46、以及嵌入在襯底48中的光電探測(cè)器47。因此，從第一以及第二反射鏡44、46以及該間隔元件45制造該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，該間隔元件將這兩個(gè)反射鏡44、46間隔開。這些反射鏡44、46中的每一個(gè)配備有防反射涂膜49a、49b、50a、50b。
[0065]該間隔元件45具有一個(gè)開口或孔徑51，以開口或孔徑的方式將空腔52中的空氣與環(huán)境相耦合。因此，空腔52中空氣的壓力受到環(huán)境中壓力變化的影響。這進(jìn)而影響該測(cè)量法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)透射率特性，并且隨著光電探測(cè)器47的輸出信號(hào)中的變化，對(duì)氣壓中的變化進(jìn)行檢測(cè)。因此，該裝置響應(yīng)聲波并且充當(dāng)一個(gè)傳聲器。
[0066]為了影響該參考腔的透射率特性，采用了調(diào)諧電極53a、53b。它們的工作方式與參見圖1的實(shí)施例所描述的調(diào)諧電極4的相同。
[0067]所產(chǎn)生的層結(jié)構(gòu)結(jié)果是一個(gè)非常緊湊的光學(xué)傳聲器，并且兩個(gè)光束位于相同的空間軸上。這兩方面有利于一種合算的、大量生產(chǎn)的微型裝置。因此，其非常適合于移動(dòng)通信應(yīng)用。[0068]對(duì)所披露實(shí)施例的其他變化可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所要求的本發(fā)明中從附圖、本披露和附加權(quán)利要求的研究理解并實(shí)現(xiàn)。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排斥其他元素或步驟，并且不定冠詞“一個(gè)”不排斥多個(gè)。單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求中所敘述的若干項(xiàng)的功能。某些措施在相互不同的從屬權(quán)利要求中敘述的僅事實(shí)不指示這些措施的組合不能是有益的。在權(quán)利要求中的任意參考符號(hào)不應(yīng)解釋為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種包括測(cè)量(7)及參考(3)干涉儀的裝置，各自被配置成用于接收來(lái)自同一光源(I)的光并且用于將光發(fā)射到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器(6)，并且具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的操作點(diǎn)，其中該測(cè)量干涉儀(7)被配置成用于通過(guò)改變所發(fā)射光的強(qiáng)度響應(yīng)一個(gè)物理參數(shù)中的多個(gè)變化，而該參考干涉儀(3)被配置成用于不響應(yīng)該物理參數(shù)中的多個(gè)變化，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)信號(hào)處理器，用于根據(jù)由這些檢測(cè)器(6)所生成的對(duì)應(yīng)的多個(gè)輸出信號(hào)生成一個(gè)差分輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該測(cè)量(7)和/或參考(3)干涉儀是法布里-珀羅干涉儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中該測(cè)量(7)和/或參考(3)干涉儀包括一對(duì)間隔開的反射鏡。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)熱調(diào)諧元件，用于調(diào)諧該測(cè)量(7)或該參考(3)干涉儀兩者之一的操作點(diǎn)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)調(diào)諧電極(4)，用于調(diào)諧該測(cè)量(7)或該參考(3)干涉儀兩者之一的操作點(diǎn)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)液晶調(diào)諧元件(5)，被布置在該測(cè)量(7)或該參考(3)干涉儀兩者之一與其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器(6)之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)光源控制器，被適配成用于使得該光源(I)在第一和第二波長(zhǎng)交替地發(fā)光，該測(cè)量(7)和參考(3)干涉儀的操作點(diǎn)分別在該第一和第二波長(zhǎng)被獲得。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)光隔離器(2)，被布置在該光源(I)與該參考干涉儀(3)之間，該光隔離器(2)包括一個(gè)線性偏振器以及一個(gè)四分之一波長(zhǎng)平板。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中該光源(I)是一個(gè)激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中該激光器是一個(gè)雙發(fā)射激光器，所發(fā)射的第一和第二光束被分別耦合到該測(cè)量(7)和參考(3)干涉儀上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中該雙發(fā)射激光器是一個(gè)雙面發(fā)射激光二極管，被安排在第一和第二層狀結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)襯底上，各自形成該測(cè)量(7)和參考(3)干涉儀之一，并且各自包括由對(duì)應(yīng)的多個(gè)間隔層間隔開的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的反射鏡層，以及相對(duì)于這些反射鏡層位于該襯底的遠(yuǎn)端的多個(gè)檢測(cè)器層。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中該信號(hào)處理器進(jìn)一步包括一個(gè)自適應(yīng)均值器，用于均衡由這些檢測(cè)器(6)在一個(gè)均衡時(shí)間段內(nèi)所生成的對(duì)應(yīng)輸出的平均振幅。
13.一種光學(xué)傳聲器，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中該測(cè)量干涉儀(7 )聲學(xué)上與環(huán)境相耦合，該參考干涉儀(3 )聲學(xué)上與環(huán)境相隔離，并且該物理參數(shù)是氣壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)傳聲器，其中該測(cè)量干涉儀(7)通過(guò)該測(cè)量干涉儀(7)的一個(gè)空腔中的一個(gè)孔徑在聲學(xué)上與其環(huán)境相耦合。
【文檔編號(hào)】H04R23/00GK103562684SQ201280022889
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】巴爾塔扎·菲舍爾, 弗雷德里克·里寧, 恩斯特·溫特納 申請(qǐng)人:莎朗激光聲學(xué)有限公司