CN101813622A - 光波导双通道干涉仪阵列 - Google Patents
光波导双通道干涉仪阵列 Download PDFInfo
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Abstract
一种光波导双通道干涉仪阵列，由平面玻璃基板上制作的一对或多对平行三维单模玻璃光波导及其上方的覆盖层组成。为了使两平行波导不对称，覆盖层可以覆盖整个基板而使每对波导中的一条波导的局部区间暴露，也可以仅覆盖每对波导中的一条波导的局部区间而使其余部分暴露。由光源发出的单色光经端面耦合或棱镜耦合被同时输入任一对平行波导中，在两波导内激发横电基模或横磁基模。从两平行波导输出的光因发散而叠加，导致明暗条纹相间的干涉图形。通过光电探测器监测任一条纹的强度变化可以获得在两波导内传播的导模之间的位相差随时间的变化，从而可以获得在两波导上方发生的各种物理、化学变化，可广泛用于气体、化学和生物物质的实时探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成光干涉仪，具体地说是关于一种光波导双通道干涉仪阵列。
背景技术
光学测量仪器具有灵敏度高、抗电磁干扰、安全可靠等优点，在现实生活中有着广泛的应用。在众多的光学测量仪器中，干涉仪是最敏感最精确的测量仪器之一。与由分离光学元件构成的干涉仪相比，集成光干涉仪具有体积小，成本低，稳定性和测试重复性好，易于操作等优点。集成光干涉仪由平面或三维光波导构成，它是通过测量导波光束位相的变化来确定待测对象的相关参数。迄今为止，已有多种集成光干涉仪被开发而成。现已报导的集成光干涉仪包括Mach-Zehnder干涉仪[R.G.Heideman，P.V.Lambeck，Sensors and Actuators B，61(1999)100-127.]，极化干涉仪[Z.Qi，K.Itoh，M.Murabayashi，H.Yanagi，Journal of Lightwave Technology，18(2000)1106-1110.]，迈克尔逊干涉仪[D.Hofstetter，H.P.Zapper，R.Dandliker，IEEE Photonics Technology Letters，8(1996)1370-1372.]，平面光波导杨氏干涉仪[H.Cross，Y.Ren，N.J.Freeman，Journal of Applied Physics，86(1999)6483-6488；]和三维光波导杨氏干涉仪[A.Ymeti，J.S.Kanger，R.Wijn，P.V.Lambeck，J.Greve，Sensors and Actuators B，83(2002)1-7；A.Ymeti，J.Greve，P.V.Lambeck，T.Wink，V.Hvell，B.Robert，R.Wijn，R.G.Heideman，V.Subramanian，J.S.Kanger，Nano Lett.，7(2007)394-397.]。其中由三维光波导构成的Mach-Zehnder干涉仪是最典型的集成光干涉仪，它包括一个Y-型结分束器，一个Y-型结光束复合器，一个敏感臂和一个参比臂。虽然集成光Mach-Zehnder干涉仪已经获得广泛研究和应用[Z.Qi，N.Matsuda，K.Itoh，M.Murabayashi，C.R.Lavers，Sensors and Actuators B，81(2002)254-258；D.Jimenez，E.Bartolome，M.Moreno，J.Munoz，C.Dominguez，Optics Communications，132(1996)437-441.]，如被用作温度传感器，压力传感器、气体传感器、生化传感器等，但是它也存在一些不足之处，如敏感臂消逝场弱而导致灵敏度不高，Y-型结分束器未能产生等强度分裂(即3dB分裂)而降低条纹对比度。3dB分束器的制作工艺要求非常严格，因此在实际制作过程中很难保证等强度分裂。而且Mach-Zehnder结构一旦制作完毕，分配到敏感臂和参比臂的光功率之比就被确定了，在使用中难以对两臂内的光功率进行灵活的调节。即使制作了3dB分束器，Mach-Zehnder干涉仪的条纹对比度也会因为敏感臂和参比臂之间损耗的不同而削弱。P.V.Lambeck等报道的三维光波导杨氏干涉仪结构简单，易于阵列化，但是它也是利用Y-型结分束器把输入端的光功率分配到敏感波导和参比波导中，因此这种干涉仪也存在因光功率分配不均或(和)两臂之间损耗不等而降低条纹对比度的缺点。平面光波导杨氏干涉仪由N.J.Freeman等人研发成功，它使用由SiON加工工艺制作而成的五层结构硅基平面光波导芯片，采用端面耦合法把入射光同时耦合进入芯片的上下两层平面波导中。由于端面耦合法容许调节耦合进入两导波层中的光功率之比，因此这种平面光波导杨氏干涉仪的条纹对比度能够在使用中得到优化。但是五层结构硅基平面光波导芯片不容易实现阵列化，对制备工艺要求严格。
发明内容
本发明的目的是提供一种光波导双通道干涉仪阵列，其结构简单，制作容易，灵敏度高，易于阵列化设计且在使用中能够优化干涉条纹对比度。
为实现上述目的，本发明提供的光波导双通道干涉仪阵列，主要包括如下四种结构：
第一种结构，是在玻璃衬底上制作一对或多对单模光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：玻璃衬底上的光波导阵列上覆盖有低折射率致密薄膜，在每对光波导中的一条波导上开设有敏感窗口。
第二种结构，是在玻璃衬底上制作一对或多对单模光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：在每对光波导中的一条波导的局部区间上淀积有多孔薄膜。
第三种结构，是在玻璃衬底上制作一对或多对单模光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：在每对光波导中的一条波导的局部区间上淀积有高折射率梯度薄膜。
第四种结构，是在玻璃衬底上制作一对或多对单模光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：玻璃衬底上的光波导阵列上覆盖有低折射率致密薄膜，在每对光波导中的一条波导上开设有敏感窗口，在每个敏感窗口内淀积有高折射率梯度薄膜。
上述四种结构中，每对光波导间隔数十至数百微米，而两对相邻的波导之间距离为1至2毫米。
本发明采用的低折射率致密薄膜可以是二氧化硅或聚四氟乙烯等。
本发明采用的多孔薄膜可以是多孔二氧化硅、或多孔聚四氟乙烯、或多孔三氧化二铝，或多孔二氧化硅与二氧化钛混合物
本发明采用的高折射率梯度薄膜可以是二氧化钛或五氧化二钽等。
本发明的第三种和第四种结构中，还可以在高折射率梯度薄膜表面再淀积一层多孔薄膜。
本发明的光波导双通道干涉仪阵列是在杨氏双缝干涉原理的基础上由一对相隔数十至数百微米的平行三维光波导构成。其中一条光波导用作消逝波敏感，另一条用作参比。这种集成光干涉仪容许使用一个光源(如线偏振激光器)通过棱镜耦合或端面耦合同时在两平行光波导内激发TE或(和)TM偏振基模，它的干涉条纹对比度能够通过简单调节在两平行光波导内的导波光功率得到优化。本发明的干涉仪对发生在光波导表面上方消逝场穿透深度内的物理化学变化高度敏感，可以被广泛应用于信息科学领域，尤其是能够作为传感器用来测定液体折射率、溶液浓度、薄膜光学厚度等物理量，也可用于气体、化学和生物物质的探测领域。
附图说明
图1为本发明第一种结构的基于端面耦合方式且玻璃芯片表面覆盖有低折射率致密薄膜的光波导双通道干涉仪阵列的俯视示意图；
图2为本发明第二或第三种结构的基于端面耦合方式且玻璃芯片上的敏感波导表面淀积有多孔薄膜或高折射率梯度薄膜的光波导双通道干涉仪阵列的俯视示意图；
图3为本发明第四种结构的基于端面耦合方式且玻璃芯片上的敏感窗口内淀积有高折射率梯度薄膜的光波导双通道干涉仪阵列的俯视示意图；
图4为图1所示的干涉仪阵列使用的玻璃芯片的侧面示意图；
图5为图2所示的干涉仪阵列使用的玻璃芯片的侧面示意图；
图6为图3所示的干涉仪阵列使用的玻璃芯片的侧面示意图；
图7为本发明采用棱镜耦合方式且玻璃芯片上的敏感波导表面淀积有高折射率梯度薄膜的光波导双通道干涉仪的侧面示意图；
图8为利用数码相机记录的本发明的光波导双通道干涉仪的空间干涉图案；
图9为本发明的光波导双通道干涉仪对液体折射率变化的响应；
图10为本发明的光波导双通道干涉仪对氨气分子在敏感臂表面吸附的响应。
具体实施方式
本发明是以一个表面制作有多对平行单模光波导通道的玻璃芯片(即光波导双通道干涉仪阵列)为核心，配置一个能够发射单色光的光源，一个线性偏振片，一个或多个小孔光电探测器，一个样品池和一个样品输送器如注射器或蠕动泵等组成光波导双通道干涉仪。玻璃芯片作为干涉仪的核心部件，其表面的每对不对称光波导构成一个敏感的干涉仪单元。玻璃芯片的制备通过采用标准光刻技术、离子交换技术、真空镀膜技术、表面生化修饰技术这一系列技术的组合完成。当干涉仪采用端面耦合法时，玻璃芯片两端面还需进行抛光处理。当采用棱镜耦合法时，还需要一对高折射率玻璃棱镜。
下面结合附图描述了本发明的三种典型结构和应用方式：
图1、图2、图3分别为本发明光波导双通道干涉仪及其阵列的三种结构的俯视示意图。图中1为单色光源，2为线性偏振片，3为玻璃芯片，4为光电探测器，5为具有小孔的遮光板，6为入射光，7为输出光，8为敏感光波导，9为参比光波导，10为敏感窗口，11为致密的低折射率覆盖层，12为高射率梯度薄膜或多孔薄膜。这三种结构的干涉仪都采用了端面耦合法，它们的区别之处是玻璃芯片的结构不同。其中图1所示的玻璃芯片由制作在玻璃衬底上的三维光波导阵列和覆盖在光波导上的低折射率致密薄膜以及在每对光波导中的一条波导上开设的敏感窗口组成。玻璃衬底上的三维光波导可以是单模离子交换玻璃光波导，也可以是单模聚合物薄膜光波导。图2所示的玻璃芯片由玻璃衬底上的光波导阵列和在每对光波导中的一条波导的局部区间上淀积的高折射率梯度薄膜或多孔薄膜组成。高折射率梯度薄膜可以通过溅射二氧化钛、五氧化二钽等材料制作完成，多孔薄膜可以是多孔二氧化硅、或多孔聚四氟乙烯、或多孔三氧化二铝，或多孔二氧化硅与二氧化钛混合物。在图2所示的结构中裸露波导作为参比而覆盖有梯度薄膜或多孔薄膜的波导用作消逝波敏感。图3所示的玻璃芯片是在图1所示结构的基础上在每个敏感窗口内淀积一层高折射率梯度薄膜，以达到增强干涉仪灵敏度的目的。为了进一步说明本发明的干涉仪结构，图4、图5、图6分别给出了相应于图1、图2、图3所示的三种玻璃芯片的侧面示意图。在图4、图5、图6中13为样品池。如上所述，本发明光波导双通道干涉仪除了能够采用端面耦合法在光波导内激发导模外，还可以采用棱镜耦合法。图7给出了一种采用棱镜耦合法的干涉仪结构的侧面示意图。图中14为耦合玻璃棱镜。
在利用本发明光波导双通道干涉仪进行测试时，首先把样品池固定在玻璃芯片上，使各光波导通道置于样品池内。由光源发出的单色光束透过偏振片后变为线偏振光，然后通过棱镜耦合法或端面耦合法输入到芯片上的任意一对光波导中，在两波导内同时激发TE导模或TM导模。在波导的另一端导模由棱镜耦合输出或从端面直接输出。从两波导输出的光因发散而相互叠加，在叠加区产生明暗条纹相间的干涉图案。通过调节入射光在两波导中的耦合效率使明暗条纹的对比度达到最大。向样品池内注入待测样品，同时利用一个或多个小孔光电探测器监测一个或多个条纹的光强随时间的变化。从纪录的光强变化结果中获取在敏感波导内和参比波导内传播的两导模之间积分位相差随时间的变化，最终得到在敏感波导表面消逝场穿透深度内的物理和化学变化信息，例如溶液浓度及其折射率，表面吸附层厚度及其折射率等。
本发明的光波导双通道干涉仪结合三维光波导杨氏干涉仪和平面光波导杨氏干涉仪各自的优点，使用廉价的平板玻璃作为衬底，在其上面制作多对平行光波导阵列，每对光波导构成一个敏感的干涉仪单元。本发明的光波导双通道干涉仪利用棱镜耦合法或端面耦合法实现导波光的激发和输出，因此它的条纹对比度能够在使用中得到优化。本发明还提出在干涉仪的敏感臂上淀积高折射率梯度薄膜和多孔薄膜，以此增强干涉仪的灵敏度。
首先采用标准光刻工艺和钾-钠离子交换技术在玻璃基板上制备多对离子交换玻璃单模光波导通道，每条通道宽4微米，长4.8厘米，每对中两平行通道相距70微米，每两对通道间隔2毫米。玻璃光波导通道制备之后，使用射频溅射技术结合掩膜光刻法在每对光波导中的一条通道的局部区间上淀积二氧化钛梯度薄膜。二氧化钛梯度薄膜长1.1厘米，宽90微米，最大厚度不超过30纳米。当玻璃芯片制备完毕后，将芯片固定在特制的支架上，然后将由硅橡胶和有机玻璃构成的样品池密封在芯片中间区域上，两个由高折射率玻璃制作的耦合棱镜被压在芯片的两端。利用波长为632.8纳米的高稳态线偏振氦氖激光器作为光源，通过棱镜耦合方式将入射光束耦合到芯片中的其中一对波导中。调节入射光束在棱镜的照射位置使输出端的干涉条纹具有最大对比度。图8给出了实验中利用数码照相机记录的光波导双通道干涉仪从棱镜耦合输出的空间干涉图案。其中的一条干涉条纹透过遮光板的小孔后被一个硅光电二极管探测器接收。探测器的输出信号经过模数转换器传输给计算机，被探测条纹的光强随时间的变化被实时记录下来。由于生化样品一般为溶液，在测试之前首先在样品池中注入溶剂，当输出信号稳定后缓慢地把待测生化样品注入样品池，同时监测信号的变化。然后从监测结果计算出位相差的变化量，再结合光波导理论和所使用的玻璃芯片的具体参数，反演推导出敏感光波导表面所发生的物化反应。或者首先利用已知浓度的同种生化样品标定干涉仪的灵敏度，然后再对未知浓度的生化样品进行准确测试。
图9和图10给出了利用具有二氧化钛梯度薄膜敏感臂的光波导双通道干涉仪测得的两个实验结果。其中图9为采用TM导模测得的干涉仪对液体折射率变化的响应。在样品池内的液体从纯净水变为重量比为20％的氯化钠水溶液的过程中，敏感臂内的TM导模与参比臂内的TM导模之间的积分位相差增加了约4π。纯净水和20％氯化钠水溶液的折射率分别为1.3329和1.3684，由此可知干涉仪位相差平均变化1°所需要的折射率的变化约为4.9×10-5.图10显示了采用TE导模测得的干涉仪对氨气的响应。实验所使用的氨气源为25％的氨水上方的蒸气，蒸气中氨气的体积比浓度约为45％。当该蒸气被泵入样品池内时，氨气分子在二氧化钛梯度薄膜表面的吸附使得敏感臂内的TE导模与参比臂内的TE导模之间的积分位相差增加了约3.7π。这一结果主要来自于氨气单分子吸附层。当在二氧化钛梯度薄膜表面再淀积一层多孔二氧化硅薄膜后，由于氨气分子在多孔薄膜内的富集，干涉仪对氨气的灵敏度有望获得进一步提高。上述试验和分析结果显示本发明光波导双通道干涉仪在气体和生化物质的探测领域具有潜在的广泛的应用。
Claims (10)
1.一种光波导双通道干涉仪阵列，在玻璃衬底上制作一对或多对单模玻璃光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：玻璃衬底上的光波导阵列上覆盖有低折射率致密薄膜，在每对光波导中的一条波导上开设有敏感窗口。
2.一种光波导双通道干涉仪阵列，在玻璃衬底上制作一对或多对单模玻璃光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：在每对光波导中的一条波导的局部区间上淀积有多孔薄膜。
3.一种光波导双通道干涉仪阵列，在玻璃衬底上制作一对或多对单模玻璃光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：在每对光波导中的一条波导的局部区间上淀积有高折射率梯度薄膜。
4.一种光波导双通道干涉仪阵列，在玻璃衬底上制作一对或多对单模玻璃光波导形成光波导阵列，每一对光波导之间相互平行且留有间隔，每对不对称光波导构成一干涉仪单元；其中：玻璃衬底上的光波导阵列上覆盖有低折射率致密薄膜，在每对光波导中的一条波导上开设有敏感窗口，在每个敏感窗口内淀积有高折射率梯度薄膜。
5.如权利要求1、2、3或4所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，玻璃衬底上制作光波导是采用光刻技术、离子交换技术、真空镀膜技术和表面生化修饰技术组合完成。
6.如权利要求1、2、3或4所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，每对光波导间隔数十至数百微米，而两对相邻的波导之间距离为1至2毫米。
7.如权利要求1或4所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，低折射率致密薄膜为二氧化硅或聚四氟乙烯。
8.如权利要求3或4所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，高折射率梯度薄膜为二氧化钛或五氧化二钽。
9.如权利要求3或4所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，在高折射率梯度薄膜表面再淀积一层多孔薄膜。
10.如权利要求2或9所述的光波导双通道干涉仪阵列，其中，多孔薄膜选自：多孔二氧化硅、多孔聚四氟乙烯或多孔三氧化二铝，或多孔二氧化硅与二氧化钛的混合物。
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