CN100565118C - 一种基于狭缝波导的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于测量物理量微小变化的光学纳米级传感器，其特征在于该光学传感器由输入波导和双狭缝波导组成，双狭缝波导结构由三个高折射率平板(2，4，6)、两个低折射率狭缝(3，5)和被覆层(1，7)组成。该器件可以将温度、加速度和压力等物理量转化为外部作用力，导致平板4发生移动，使传感器输出端两个狭缝中的光功率分布发生变化，从而可精确地获得外界物理量的变化。该传感器灵敏度高，适于高精度测量；支持不同波长的传输，可使用各种不同光源进行检测；波导尺寸远远小于常规光波导，更适宜于集成。

Description

一种基于狭缝波导的光学传感器

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，具体涉及一种基于纳米级双狭缝波导，将光场限制在狭缝中并其分布随狭缝宽度变化而变化，从而根据狭缝中光场分布的变化而检测外部物理量变化的光学传感器。

背景技术

于2004年被首次提出的狭缝波导结构可实现在纳米级尺寸的低折射率材料构成的特殊光波导结构中光的限制和传输^[1]。由于该类光波导可以突破传统光波导尺寸的限制，因此在纳米光子学具有很大的应用前景，受到了广泛的关注。

传统光波导结构中以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，而光场主要集中在高折射率材料构成的波导芯中。而在狭缝波导结构中，波导的芯结构由纳米宽度的高折射率材料和低折射率材料共同构成，而光场可以被主要限制在其中的低折射率材料中。

单狭缝波导俯视示意图如图1所示。图1中的狭缝波导结构由两个平板(2，4)和一个狭缝3组成，平板材料具有高折射率n_H，狭缝材料具有相对低的折射率n_S。低折射率狭缝夹在两个高折射率平板之间，其厚度应远小于光波长，一般在几纳米到几十纳米左右。被覆层(1，5)由低折射率材料组成，其折射率应明显低于平板材料的折射率，也可与狭缝材料的折射率相同。

上述波导模式可支持TM模式的传输，二维结构近似下，单狭缝波导结构的TM模式的电场x分量的解析解为^[1]：

$E_x\left(x\right)=A\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{n_s^2}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{s}x\right);\left|x\right|<a\\ \frac{1}{n_H^2}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{s}a\right)\cos \left[{\mathrm{\&kappa;}}_H\left(\right|x|-a)\right]+\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_s}{n_s^2{\mathrm{\&kappa;}}_H}\sinh \left[{\mathrm{\&kappa;}}_H\left(\right|x|-a)\right];a<\left|x\right|<b\\ \frac{1}{n_c^2}\left\{\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{s}a\right)\cos \right[{\mathrm{\&kappa;}}_H(b-a)]+\frac{n_H^2{\mathrm{\&gamma;}}_s}{n_s^2{\mathrm{\&kappa;}}_H}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{s}a\right)\sin [{\mathrm{\&kappa;}}_H(b-a)\left]\right\}\exp \left[{-\mathrm{\&gamma;}}_c\left(\right|x|-b)\right];\left|x\right|>b\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中，κ_H是高折射率平板中的波数，γ_s是低折射率狭缝中的衰减系数，γ_c是被覆层中的衰减系数，n_C是覆盖层的折射率，2a为狭缝的宽度，b-a是平板的宽度。

常量A为：

$A=A_0\frac{\sqrt{k_0^2{n}_H^2-{\mathrm{\&kappa;}}_H^2}}{k_0}---\left(2\right)$

其中；A₀是一个任意常数， $k_0=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}$ 是光波在真空中的波数

该波导结构的工作原理是利用了在不同介电常数材料界面上电场矢量的垂直分量不连续，且其大小与材料介电系数的平方成反比。因此利用上述电场分布的不连续性，低折射率材料中的光场分布将大大高于其旁边的高折射率平板种德电场，从而实现将光限制在低折射率材料中传输的作用。在这种情况下，两种材料折射率的对比度越大，电场就越不连续，导致低折射率部分的电场强度越强。场强分布如图2所示，可以看出大部分的光被限制在低折射率波导层中。

为了定量描述狭缝波导结构对光场限制的效果，定义光场强度限制因子(Γ)为^[2]：

$\mathrm{\&Gamma;}=\frac{\underset{\mathrm{Regions}}{\&Integral;}\mathrm{Re}(\stackrel{\&RightArrow;}{E}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{H}}^{*})\&CenterDot;\hat{z}\mathrm{dxdy}}{\underset{\mathrm{total}}{\&Integral;}\mathrm{Re}(\stackrel{\&RightArrow;}{E}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{H}}^{*})\&CenterDot;\hat{z}\mathrm{dxdy}}---\left(3\right)$

其中，

和

是电场和磁场矢量，分别在要计算的区域(即低折射率狭缝)和整个横截面区域中计算积分。

作为光波导领域研究的热点之一，近年来，在上述基本狭缝波导结构的基础上，不同结构、不同材料的狭缝波导结构得到了大量的理论研究和实验验证。基于硅基的低折射率狭缝波导结构已被实现，并经过实验验证^[3]。通过对狭缝结构的设计优化，例如采用不对称狭缝波导结构、优化狭缝和平板的几何结构和尺寸，能够实现对光功率的更好限制^[4，5，6]。除了单狭缝波导结构以外，还提出和研究了多狭缝波导结构^[2]。除了简单的直波导形式外，基于狭缝波导的光调制器、振荡器等复杂结构也已经在实验中得到实现^[7，8]。在实现狭缝波导的材料方面，除了介电材料外，金属也能够被用来与介电材料共同构成狭缝波导结构^[9]。狭缝波导与普通波导的联接与耦合也已在理论上得到证明，并在实验中得到验证^[10，11]。除了作为光波导以外，由于狭缝波导的特殊几何结构和极小的几何尺寸，使得其光传输特性可以根据该结构中的微小变化而发生变化，因此可能被应用在光传感领域中。采用光学微机械结构实现的、利用单狭缝波导结构和环形谐振腔原理的光学压力传感器已被实验实现^[12]。通过检测狭缝结构导光特性与狭缝材料折射率之间的关系，还可以实现基于狭缝波导的折射率传感器^[13]。

本发明专利提出了将多狭缝波导用于传感器这一概念，利用多狭缝波导中波导结构变化对不同狭缝中光场分布的影响，设计了一种基于双狭缝结构的光学传感器，可以测量狭缝波导结构中纳米量级波导结构改变，从而实现具有纳米精度的光学传感器，该传感器可以被应用于位移、压力、温度等物理量的高精度测量。

发明内容

图3是本发明涉及的光学传感器结构的俯视示意图，整个光传感器包括一个输入光波导9和一个可动双狭缝波导。

输入光波导9的作用是将光耦合进双狭缝波导。输入光波导可采用脊状波导等传统光波导形式实现。输入光波导可以与双狭缝波导采用直接耦合方式进行耦合。该波导的模场尺寸应与双狭缝波导的尺寸相近。

双狭缝结构的作用是将光场限制在两个同向传输的低折射率狭缝中，两狭缝中的光场分布可以受到狭缝波导结构尺寸变化的影响。该狭缝波导结构包括三个平板(2，4，6)、两个狭缝(3，5)和被覆层(1，7)。其中，平板(2，4，6)的材料为高折射率材料，狭缝(3，5)的材料为低折射率材料，被覆层(1，7)的材料为低折射率材料(其材料可以与狭缝材料相同或不同)。平板和狭缝的材料折射率的比例应不小于1.6。其中，平板(2，4，6)的材料为不可压缩材料，狭缝(3，5)的材料为可压缩或可流动材料。平板材料可以采用硅、高折射率玻璃、光学晶体等实现。狭缝材料可以采用气体、液体等实现。

平板(2，4，6)在导光区域范围内的横截面形状可以矩形、梯形或其他相似形状，狭缝(3，5)的横截面形状由相邻平板的形状决定。平板(2，4，6)截面高度相同。

平板2和平板6间的间距固定不变，而平板4在输入端一侧的位置固定，而在输出端一侧与平板2或平板6的间距可变。平板2与平板4的间距决定了狭缝3的宽度，平板4与平板6的间距决定了狭缝5的宽度，因此当平板4与平板2的间距减少时，狭缝3的宽度减小，狭缝5的宽度增加，但两者之和不变。平板2和平板6的宽度一般远小于光波长，在几十至几百纳米之间。平板4的宽度一般远小于光波长，在几十纳米左右。狭缝3和狭缝5的宽度一般远小于光波长，其宽度之和在几十至一百纳米左右。

触点8位于平板4的输出端一侧，其作用是使外部作用力可以施加于平板4上，使其发生微小形变弯曲，从而使平板4与平板2的间距在靠近输出端一侧发生改变。触点8可以采用与平板4相同的材料，可以位于平板4结构的上方，并高于平板2和平板6。

本专利涉及的传感器的工作原理是：输入光首先通过输入波导9耦合进可动双狭缝波导结构中。当光进入到双狭缝波导中后，如图3所示，当外部作用力通过触点8施加到平板4时，平板4将产生形变，使得在双狭缝波导结构中不同传播距离上的狭缝宽度逐渐发生变化，从而导致其中一个狭缝宽度的增加而另一个狭缝的宽度减少。由此，耦合进双狭缝波导结构的光场分布将逐渐发生改变，宽度大的狭缝中的传输的光功率将变大，而宽度小的狭缝中的传输的光功率将变小，最终输出的光强分布由输出端一侧的狭缝宽度决定。这样通过检测输出端两个狭缝中光功率的大小变化可得到平板4输出端一侧形变的大小，从而获得外部作用力信息，实现传感功能。

本发明所涉及的光学传感器通过测量传感器输出端狭缝结构中光功率分布及其变化，可获得狭缝宽度的准确信息，从而可以作为光学纳米级位移传感器。在其基本结构的基础上可以通过将温度、加速度和压力等物理量转化为外部作用力，进而检测其变化，从而实现温度传感器、加速度传感器、压力传感器等。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的光学传感器的狭缝宽度在纳米级，能探测出纳米级大小的间距变化，因此精确度很高，适于高精度测量。

(2)本发明所涉及的光学传感器采用了狭缝光波导结构其波导尺寸远远小于常规光波导，因此更适宜于集成，可以实现大规模超小型化传感器件。

(3)本发明所涉及的光学传感器由于采用了狭缝光波导结构可在很大范围内支持不同波长的传输，因此可使用各种不同光源进行检测。

(4)本发明所涉及的光学传感器在其基本结构的基础上通过将距离、温度、加速度和压力等物理量转化为外部作用力，还能用于检测上述物理量的变化。

附图说明

图1：基本的单狭缝结构示意图

图2：单狭缝波导光场分布示意图

图3：光学传感器的结构示意图，其中1、7为被覆层；2、4、6为平板；3、5为狭缝；8为触点；9为输入波导

图4：双狭缝波导中的光场分布示意图。(a)：狭缝3宽度为50nm；(b)：狭缝3宽度为5nm；(c)：狭缝3宽度为95nm

图5：狭缝3中的功率随狭缝宽度的变化

具体实施方式

本应用实例中，高折射率材料使用的是高折射率玻璃(折射率为1.65)，低折射率材料使用的是空气(折射率为1.0)。

输入波导为脊形波导，由高折射率玻璃构成，脊形部分的形状为矩形，宽度为900nm。平板2，6截面形状为矩形，360nm宽，1800nm高。平板4截面形状为矩形，50nm宽，1800nm高。狭缝3，5截面形状为矩形，在输入端宽度相同，均为50nm。该双狭缝波导结构位于同样折射率玻璃衬底上。平板4在通过刻蚀在波导的后半段与基底分离，从而可弯曲变形。输入光波的波长设为1.55μm。

这里采用光波导仿真软件，对上述波导结构进行了仿真设计与计算。图4(a)，4(b)，4(c)分别显示了当输出端狭缝宽度发生变化时，在双狭缝波导结构输出端光场分布的变化。

图4(a)中显示的是两个狭缝的宽度均为50纳米时的场强分布，因为狭缝的宽度相同，场强分布对称，因此被限制在两个狭缝中的功率也相同。图4(b)中显示的是当平板4偏离中心而靠近平板2，使得狭缝3的宽度为5nm时的场强分布。因为狭缝3的宽度变小，场强虽略有增加，但被限制在狭缝3中的功率却减小。图4(c)中显示的是当平板4偏离中心而远离平板2，使得狭缝3的宽度为95nm时的场强分布。因为狭缝3的宽度变大，场强虽略有降低，但被限制在狭缝3中的功率却增加。从此可以得出，当狭缝宽度变小时，其中光场强度略有增加；当狭缝宽度变大时，其中光场强度略有下降，但都变化不大。但由于光功率限制因子决定于光场强度和面积的乘积，所以对每个狭缝的光功率限制因子将随着该狭缝宽度减小而减小，随着该狭缝宽度增加而增加。

图5所示为狭缝3中光场功率限制因子随狭缝宽度变化的规律。从图中可以很明显的看到，从5nm到95nm，光功率限制因子直接与狭缝的宽度成正比，几乎呈线性关系。在上述位移范围内，该狭缝中所输出的光功率有相当大的改变，因此可以明显地体现平板4的位置改变。当平板4每移动10nm时，相对于其在中心位置时狭缝3的输出光功率将变化40.1％。因此通过探测狭缝3输出光功率的变化得到纳米级的位移变化，能够达到很高的灵敏度。

Claims (7)

1.一个包括输入光波导和一个可动双狭缝波导的光学传感器结构，输入光波导的作用是将光耦合进可动双狭缝波导，可动双狭缝波导的作用是将光场限制在两个同向传输的低折射率狭缝中，两狭缝中的光场分布受到可动双狭缝波导的结构尺寸变化的影响，可动双狭缝波导是由被覆层包围的三个平板和两个狭缝相间形成的，两侧平板间的间距固定不变，而中间平板在输入端一侧的位置固定，而在输出端一侧与两侧平板的间距可变。

2.权利要求1中所述的光学传感器结构中，平板材料为高折射率材料，狭缝材料为低折射率材料，被覆层材料为低折射率材料，被覆层材料可以与狭缝材料相同或不同，平板和狭缝的材料折射率的比例应不小于1.6。

3.权利要求1中所述的光学传感器结构中，平板的材料为不可压缩的固体材料，狭缝的材料为可压缩或可流动的流体材料。

4.权利要求1中所述的光学传感器结构中，平板材料采用硅、高折射率玻璃或光学晶体实现，狭缝材料采用气体或液体实现。

5.权利要求1中所述的光学传感器结构中，平板在导光区域范围内的横截面形状是矩形或梯形。

6.权利要求1中所述的光学传感器结构中，通过测量上述传感器结构中输出端光强度的变化得到中间平板的位移信息。

7.基于上述权利要求1中所述的光学传感器结构的光学位移、温度、加速度和压力传感器件。

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