CN101776465B - 一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导。包括下包层、条形限制区和传感层；在传感层从下至上依次设置平板形限制区和上包层；条形限制区折射率大于下包层的折射率；平板形限制区的折射率大于上包层的折射率；传感层折射率小于条形限制区和平板形限制区的折射率。本发明通过引入垂直于基片方向上的狭缝波导结构，与传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器相比，增强了光导波与传感层的相互作用，提高了传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制作高灵敏度传感器光波导，具体涉及一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导。
背景技术
基于光学的传感器主要包括光纤传感器和集成光学传感器，它们具有的优势是：良好的稳定性、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强、可以同时实现对多种物质的分析、便于集成于光通信网中以及适于低成本大规模制造。
光纤传感器的研究最早始于上世纪70年代，但由于制造技术的限制，直到上世纪90年代初，也只有少数光纤传感器在市场上出现。同时，早期的光纤传感器只是小批量生产，相对产品价格较高。20世纪90年代后，随着各种光纤制造技术的成熟，更多的光纤传感器在不断地商业化，比如压力应力传感器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。目前世界上已有五百多家企业生产各类光纤传感器。
与基于同样原理的光纤传感器相比，集成光学传感器具有更高的灵敏度，更易实现小型化和阵列化，更易于批量化生产并因此具有更低的制作成本，而且，在某些方面，集成光学传感器具有光纤传感器不可比拟的优势，比如集成光学传感器可以更方便地制作多种传感器结构，实现更好的功能。
在各种原理的光学传感器中，基于倏逝波原理的光学传感器是一类重要的传感器。以倏逝波吸收原理为例，基于集成光学的该传感器的光波导结构如图1、图2所示，包括光波导的下包层1和条形限制区2，以及传感层3。条形限制区2的折射率高于下包层1和传感层3的折射率，如倏逝波传感器光波导折射率分布曲线4所示。传感层3的特定成分的待测物质形成对特定波长的选择吸收，从而可以对待测物质进行定性和定量的测试。由于传感层3的折射率低于条形限制区2的折射率，光导波的能量大部分分布在条形限制区2，如图1所示，图中5是倏逝波传感器光波导模场分布曲线。从图中可以传感层3中的光强很弱，传感器的敏感程度很低。而且，传感器的敏感程度受限于传感层3的折射率，这使得传感器制作的工艺容差很小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，采用狭缝波导结构，增强光导波与传感膜的相互作用，提高传感器灵敏度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括下包层、条形限制区和传感层；本发明在传感层从下至上依次设置平板形限制区和上包层；条形限制区折射率大于下包层的折射率；平板形限制区的折射率大于上包层的折射率；传感层折射率小于条形限制区和平板形限制区的折射率。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
本发明通过引入垂直于基片方向上的狭缝波导结构，与传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器相比，增强了光导波与传感层的相互作用，提高了传感器的灵敏度。
这种光波导可以看作是条形光波导与平板光波导的组合，制作工艺简单。
附图说明
图1是传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器光波导结构。
图2是对应于图1所示光波导结构的折射率分布曲线和模场分布曲线。
图3是基于狭缝结构的复合光波导集成光学传感器光波导结构。
图4是对应于图3所示光波导结构的折射率分布曲线和模场分布曲线。
图中：1、下包层；2、条形限制区；3、传感层；4、倏逝波传感器光波导折射率分布曲线；5、倏逝波传感器光波导模场分布曲线；6、平板形限制区；7、上包层；8、复合光波导折射率分布曲线；9、复合光波导的模场分布曲线。
具体实施方式
如图3所示，本发明包括下包层1、条形限制区2和传感层3；本发明在传感层3从下至上依次设置平板形限制区6和上包层7；条形限制区2折射率大于下包层1的折射率；平板形限制区6的折射率大于上包层7的折射率；传感层3折射率小于条形限制区2和平板形限制区6的折射率。
所述的下包层1、条形限制区2、平板形限制区6和上包层7的材料为二氧化硅、玻璃、光波导聚合物或是硅材料。
如图4所示，复合光波导折射率分布曲线8表示了下包层1、条形限制区2、传感层3、平板形限制区6和上包层7折射率大小的相互关系。从复合光波导的模场分布曲线9可以看出，本发明的光波导中传感层3中的光场强于背景技术中的传感层3中的光场，传感器灵敏度得到提高。
这种光波导可以看作是下包层1和条形限制区2组成的条形光波导与平板形限制区6和上包层7组成的平板光波导的叠加。传感层3的材料是待测物质。
本发明所述的复合光波导制作方法可以通过多种方式实施，下面以离子交换玻璃基波导构成这种复合光波导的情况为例说明。
传感器复合光波导的主要制作步骤：
(1)选择两片双面抛光的含有Na2O的硅酸盐玻璃基片(玻璃中Na2O重量含量5～25％)，折射率1.4～1.8之间。
(2)第一个玻璃基片上离子交换条波导的制备。
以第一个玻璃基片为上包层1，通过离子交换工艺在玻璃基片上制作条形限制区2。
·在第一个玻璃基片表面，采用微细加工工艺制作掩膜，获得条形离子交换窗口。
·将带有掩膜的第一个玻璃基片放入240～560℃下，含有AgNO3的熔盐(AgNO3的重量含量0.1～100％)中，保温2～30分钟。熔盐中的Ag+离子扩散进入玻璃基片，取代玻璃中Na+离子的位置，提高扩散区的折射率，扩散区形成条形限制区2。条形限制区2的折射率高于玻璃基片0.001～0.1。
(3)第二个玻璃基片上离子交换平板波导的制备
·将第二个玻璃基片放入240～560℃下，含有AgNO3的熔盐(AgNO3的重量含量0.1～100％)中，保温2～30分钟。熔盐中的Ag+离子扩散进入玻璃基片，取代玻璃中Na+离子的位置，提高扩散区的折射率，扩散区形成平板形限制区6。平板形限制区6的折射率高于玻璃基片0.001～0.1。
(4)在第一个玻璃基片的条形限制区2一侧制作传感层，用涂敷法或其它方法实现。传感层3的折射率在1.0～1.4之间，传感膜厚度在0.1～1微米之间。
(5)将第二个玻璃基片与第一个玻璃基片组成图3所示的光波导结构。
Claims (2)
1.一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，包括下包层(1)、条形限制区(2)和传感层(3)；其特征在于：在传感层(3)上从下至上依次设置平板形限制区(6)和上包层(7)；条形限制区(2)折射率大于下包层(1)的折射率；平板形限制区(6)的折射率大于上包层(7)的折射率；传感层(3)折射率小于条形限制区(2)和平板形限制区(6)的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，其特征在于：所述的下包层(1)、条形限制区(2)、平板形限制区(6)和上包层(7)的材料为二氧化硅、玻璃或用于制作光波导的聚合物。
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