CN102292665B - 集成光学波导干涉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光学波导干涉仪，用于倏逝传感化学和/或物理量，包括带有波导层结构的基质，具有：-夹在两个第一包层之间的第一波导芯层，所述第一包层由第一下包层和第一上包层（6）构成，其折射率比第一波导芯层的折射率低，-夹在两个第二包层之间的第二波导芯层，所述第二包层由第二下包层和第二上包层（6）构成，其折射率比第二波导芯层的折射率低，-分光器（2）和组合器（5），分别在第一和第二接点处光学耦合所述第二和第二波导芯层，其特征在于：-聚合物包层材料（9）的调制部分，包含在多个第一上包层（6）之一和/或包含在多个第二上包层（6）之一里面，该聚合物包层材料覆盖第一和第二接点之间的第一波导芯层和/或第二波导芯层的可识别区域，所述聚合物包层材料的折射率在1.46至2.5之间并随温度变化，从而改变通过所述第一和第二波导芯层传播的辐射的相位，升高和降低所述聚合物包层材料（9）温度的装置。

Description

集成光学波导干涉传感器
技术领域
 本发明涉及一种集成光学波导干涉仪（integrated optical waveguide interferometer），用于化学和/或物理量的倏逝传感，包括带有波导层结构的基质，具有
-夹在两个第一包层之间的第一波导芯层，所述第一包层由第一下包层和第一上包层构成，其折射率比第一波导芯层的折射率低，
-夹在两个第二包层之间的第二波导芯层，所述第二包层由第二下包层和第二上包层构成，其折射率比第二波导芯层的折射率低，
-分光器和组合器，分别在第一和第二接点处光学耦合所述第一和第二波导芯层。
背景技术
这种集成光学波导干涉仪是已知的，其来自于美国专利公布No.6,240,226（Lucent Technologies公司）。该专利中描述的集成光学波导干涉仪为Mach -Zehnder类型。这种已知的Mach-Zehnder干涉仪包括第一波导芯通道和第二波导芯通道，两个通道在第一定向耦合器和第二定向耦合器处靠拢在一起。第一波导芯通道所有的面被第一包层包围但不接触基质，而第二波导芯所有的面被第二包层所包围但不接触基质。第一包层包括与第一波导芯通道连接的聚合物包层部分，第一包层所有的面都不与基质接触，所述第一波导芯通道位于第一和第二定向耦合器之间。在该聚合物部分外面，第一波导芯通道被标准包层材料包围。除了在其整个长度采用标准包层材料之外，第二波导芯与第一波导芯类似。聚合物包层的折射率随着温度而变化。调节聚合物包层部分的温度，使流过以聚合物包层为界的第一波导芯的光的相位相应改变，产生所需的光的开关或调制。
需要注意的是，本发明不限于Mach-Zehnder干涉仪，而且也延伸到其它的干涉仪，比如所谓的Michelson干涉仪或者所谓的Young干涉仪。但是，本发明尤其涉及所谓的平面光波导干涉仪，即由薄而透明的芯膜构成的干涉仪，该芯膜夹在透明的包层之间，其折射率较低，限制了芯膜中光的传输，使得包层中存在大的倏逝光传感场，其中，为了获得机械稳定性，这种波导叠合（waveguide stack）优选堆叠在平滑的基质上。进一步，在本发明的框架内，分光器和组合器不仅仅指第一和第二定向耦合器，如所述美国专利公布No.6,240,226中所描述的那样，也指，例如，分别为第一微光分束立方体（micro-optic beam splitting cube）和第二微光分束立方体，或者第一Y型分支分配器（Y-branch splitter）和第二Y型分支分配器。最后，上文使用的术语“倏逝传感”在本行业内是公知的，亦即在通过局部移除原来使用的包层所获得的窗口内，使用化学敏感材料作为包层。
从所述美国专利公布No.6,240,226中可知集成光学波导干涉仪的一个缺点是，依赖于应用的技术领域，传感应用的效率和准确度不满足今天的需求。传感应用需要大的倏逝场，所述倏逝场迫使芯层为薄芯且主要是平面的，没有或者只有浅的脊（ridge）结构。聚合物包层部分将因此仅覆盖该波导芯的上部。结果，热-光学调制对包围芯层所有的面而不与基质接触的聚合物包层将不会那么有效。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于改进现有技术，以及实现那个目标，即根据本发明在前面提到类型的干涉仪，其特征在于：
-聚合物包层材料的调制部分，包含在多个第一上包层之一和/或包含在多个第二上包层之一里面，该聚合物包层材料覆盖位于第一和第二接点之间的所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层的可识别区域，所述聚合物包层材料的折射率在1.46和2.5之间并随温度变化，从而改变通过所述第一和第二波导芯层传播的辐射的相位，
-升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置。
因此一个重要的特点是通过不对称层结构获得调制部分，所述结构设有所述折射率比下包层高的聚合物包层材料部分，经选择使得倏逝场接近“切断”。这意味着该倏逝场被拉入所述聚合物包层材料部分中，而折射率的热变化将对该结构的有效折射率造成强烈的影响。
特别地，根据本发明所述的干涉仪在所述调制部分满足方程：
(1) nc>ns
(2) V=2π(h/λ)(nf 2- nc 2)1/2
(3) r=(nf 2-ns 2)/(nf 2- nc 2)
其中：
-nc为第一上包层和/或第二上包层的折射率；
-ns为第一下包层和/或第二下包层的折射率；
-nf为第一芯层和/或第二芯层的折射率；
-h为第一芯层和/或第二芯层的厚度；
-λ为光波长；
-r>1.1时，V在0.1至4之间变化。
本发明干涉仪一个优选实施方案的重要特点是：通过选择聚合物包层的折射率，nc，优化热-光效率（给定的有效折射率变化所需的功率），使得光学模式在该包层中具有大的倏逝场。所需的条件如下：
1）该聚合物包层的折射率，nc，接近芯层的折射率nf。这引起了模式的切断，伴随强场扩张出芯层外。这个条件的测量为所谓V参数的值：V=2π(h/λ)(nf 2-nc 2)1/2
对于对称的波导，聚合物上包层和下包层的折射率相同，基本模式切断的条件为V=0。从V=π(注意波导应保持单模）开始可以存在一阶模式。
对于高度不对称的波导，聚合物(上)包层与下包层之间存在大的折射率差，ns，该基本模式的切断出现在V=π/2处。一阶模式可从V=3π/2开始存在。
2）聚合物上包层和下包层之间的折射率差，ns，是大的（高度不对称）。这包括仅在聚合物包层中发生的场扩张。这个条件的质量测量为芯层边界处聚合物包层（Pc）和下包层（Ps）的光功率的比率。对于TE模式，这个比率，Pc/Ps，为：Pc/Ps=r=(nf 2-ns 2)/(nf 2-nc 2)。
因此，V合适的选择在V=0.1到V=4之间，以及使r在r>1.1范围内的值。
优选地，所述聚合物包层材料至少基本上由选自以下的材料制成：聚甲丙烯酰酸五溴苯酯、聚五溴苯基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸五溴苯酯、聚丙烯酸五溴苯酯、聚2,4,6-三溴苯基甲基丙烯酸酯、硫化聚乙烯基苯基（polyvinylphenyl sulfide）、聚1-萘基甲基丙烯酸酯（poly 1-napthyl methacrylate）、聚2-乙烯基噻吩、聚2,6-二氯苯乙烯、聚乙烯基邻苯二甲酰胺（poly N-vinylphthalamide）、聚2-氯苯乙烯和聚五氯苯丙烯酸酯。作为替代，所述聚合物包层材料至少基本上由选自基于芳香族苯环的聚合物和基于稠芳香环的聚合物的材料制成，比如SU-8环氧单体或者芳香族聚酰胺（aromatic polymide）。优选地，将高折射率颗粒加入到所述聚合物包层材料的材料中，使其折射率提高。
优选地，所述下包层由以下材料制成：热生长或者化学气相沉积（CVD）的硅，包含多组分玻璃的硅，氟化物玻璃，包含有机聚合物的硅，或者包含有机-无机聚合物混合的硅，或者包含有机聚合物的氟或者包含有机-无机聚合物混合的氟。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的一个优选实施方案中，所述升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置，包括邻近所述聚合物包层材料部分的加热器和/或冷却器。所述加热器和/或冷却器可包括置于所述聚合物部分附近的电气电阻加热器条（stripes）或者热-电冷却/加热元件。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的另一个优选实施方案中，所述第一波导芯层和/或第二波导芯层具有脊形的轮廓（profile）。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的又一个优选实施方案中，所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层的折射率在1.5到2.5之间选择。特别地，所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层至少基本上由选自以下的材料制成：Si3N4、TiO2、Ta2O3、ZrO2、Al2O3、Y2O3以及Nb2O5。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的再一个优选实施方案中，将一种泡沫应用到所述装置上，该装置用于升高和降低所述聚合物包层材料的温度。
本发明干涉仪可能对升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置（即加热器）上方的空气湍流较为敏感。这些引起干扰信号的波动。这种情况可通过在加热器上面应用聚氨酯（PUR）泡沫薄层作为隔热层来避免。PUR泡沫是优良的隔热层。通过蘸上稀释的PUR预聚合物溶液，可将泡沫层应用到加热器上，并使其从大气环境中吸湿固化成泡沫层。或者，用更加致密材料的盖板覆盖加热器，同时在加热器表面和盖板之间留下一条狭窄、隔热的气隙。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的另一个优选实施方案中，提供装置用来电气调制用于升高或降低所述聚合物包层材料温度的装置的信号。一种先进的调制原理，所谓的serrodyne调制，可用于获得具有高灵敏度的本发明干涉仪的传感器响应。Serrodyne信号处理需要正弦输出信号进行傅里叶分析以确定光学相位。加热器主要产生平方根调制，以响应外加电压。因此，优化调制电压以获得正弦光学调制，所述调制电压可被编码入查找表中并通过数/模转换器传送到电子电路中。然后利用二极管使正负电压路由分开电气放大器电路，该电气放大器电路用来驱动电加热器。利用单输入调制信号，从单查找表驱动，这种方法可用于连续驱动本发明干涉仪两个热-光调制器的加热器，以获得正弦光学响应，从而补偿热电-光效应的非线性电压依赖行为。温度对加热器电阻的影响也可通过正确设计查找表来补偿。也可提供一个加热器元件来替代两个加热器元件。
在根据本发明集成光学波导干涉仪的再一个优选实施方案中，使用偏振金属条（polarization metal strip）作为所述升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置。在两个可能的光偏振状态（TE和TM）仅存在一个的情况下，本发明的干涉仪运行良好。输入干涉仪的光纤传递两个偏振。因此，最好为一偏振条。这可通过选择性吸收干涉仪传输部分硅基质材料的一个偏振（TM）来完成。这产生<10 db/cm的衰减。通过在金属层中选择TM模式吸收可获得一个高得多的值（较短的剥离器（stripper））。在干涉仪中，这可为加热器的金属层。加热器和剥离器的功能可通过多层金属结构（例如Cr/Au，Cr用来剥离而Au用来加热）的应用来解耦。
本发明也涉及根据本发明一种集成光学波导干涉仪在量油尺中的应用。
附图说明
在有关本发明集成光学干涉仪优选实施方案的附图的帮助下，本发明将进一步被阐明，其中，
-图1为Mach-Zehnder类型的标准集成光学干涉仪的设计图；
-图2为用于倏逝传感化学和/或物理量的图1标准干涉仪的功能设计图；
-图3是图2干涉仪的设计图，但现在根据本发明进行调整；
-图4涉及图3干涉仪的特定应用，即作为量油尺。
具体实施方式
图1的干涉仪1由输入通道波导2构成，波导2分裂成两个相同的分支3、4。在一段明确定义的长度后，这两个分支3、4再次结合到一起，形成输出波导5。进入输入波导2的光在两个分支3、4上平均分裂，并再次在输出波导5处结合。干涉仪1的光学波导通道的横截面由带有脊状轮廓的高折射率的芯层构成，所述芯层夹在低折射率缓冲层之间。在掩埋式波导中，光场完全在芯层和缓冲层中获得，并且光的传播不受环境干扰的影响。
参考图2，在干涉仪1的两个分支3、4明确定义的位置处，利用蚀刻技术，在通道波导上方局部移除顶部包层6。在这些所谓的窗7、8中，穿过下层通道波导的光的倏逝场延伸到干涉仪1上方的环境中，并且容易感受环境的变化。专门与感兴趣的分析物分子结合的界面层设于传感窗7的表面上。为使得干涉仪1保持均衡，设有带界面层的参考窗8，参考窗8不显示特定的结合。当试样材料流过传感窗7和参考窗8时，通过穿过传感分支3的光的倏逝场探测传感窗7界面层与分析物分子的特定结合。这引起光传播速度的改变，导致在输出波导5处来自传感分支3和参考分支4的光之间的相位差。引起的相位差与结合到界面层的分析物分子的量成正比，并导致输出波导5中光强度的周期变化。
参考图3，在两个分支3、4明确定义的位置处，利用蚀刻技术，局部移除波导通道上方的顶部包层6。这些所谓的调制部分用高折射率的聚合物包层材料9填充，即折射率介于1.46与2.5之间并随温度变化。在聚合物包层材料9上面，设有金属加热器条10，在加热或冷却时改变聚合物的折射率。这将改变流过通道的光的相位，引起干涉仪中光的调制。利用先进的调制原理（serrodyne调制）结合干涉仪1中的热-光活性部分和专用电子设备，干涉仪1的输出强度被转换成传感器响应信号，所述信号相当于由分析物分子与传感窗7中的界面层的特定结合引起的相位差。
图4a显示了图3中所示本发明干涉仪的特定应用，即作为带有热-光调制器11、12的量油尺1。此干涉仪基于Mach-Zehnder干涉仪，其通过使用折叠镜13或者波导弯头使波导路由折回芯片输入沿。结果，本发明干涉仪非常紧凑并且如所显示，在量油尺应用中使用。换句话说，可将传感器末端浸入容器14中，容器14装有一定量（少量）待分析的物质15。图4b显示了替代的量油尺的结构。

Claims (15)

1.集成光学波导干涉仪传感器，用于倏逝传感化学和/或物理量，包括带有波导层结构的基质，具有：
-夹在两个第一包层之间的第一波导芯层，所述两个第一包层包括第一下包层和第一上包层，所述第一包层的折射率比所述第一波导芯层的折射率低，
-夹在两个第二包层之间的第二波导芯层，所述两个第二包层包括第二下包层和第二上包层，所述第二包层的折射率比所述第二波导芯层的折射率低，
-分光器和组合器，分别在第一和第二接点处光学耦合所述第一和第二波导芯层，其特征在于：
-聚合物包层材料的调制部分，包含在所述第一包层之一和/或包括在所述第二包层之一里面，通过局部移除所述第一包层中原始施加的一层和/或第二包层中原始施加的一层，所述聚合物包层材料被施加在所述第一和第二接点之间的窗内，所述聚合物包层材料的折射率在1.46和2.5之间并随温度变化，从而改变通过所述第一和第二波导芯层传播的辐射的相位，
-升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置。
2.根据权利要求1所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述干涉仪传感器在所述调制部分满足方程：
(1)nc>ns
(2)V=2π(h/λ)(nf 2-nc 2)1/2
(3)r=(nf 2-ns 2)/(nf 2-nc 2)
其中，
-nc为所述第一上包层和/或所述第二上包层的折射率；
-ns为所述第一下包层和/或所述第二下包层的折射率；
-nf为所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层的折射率；
-h为所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层的厚度；
-λ为光波长；
-r>1.1时，V在0.1与4之间变化。
3.根据权利要求2所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述聚合物包层材料至少由选自以下的材料制成：聚甲丙烯酸五溴苯酯、聚五溴苯基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸五溴苯酯、聚丙烯酸五溴苯酯、聚2,4,6-三溴苯基甲基丙烯酸酯、硫化聚苯乙烯基苯基、聚1-萘基甲基丙烯酸酯、聚2-乙烯基噻吩、聚2,6-二氯苯乙烯、聚乙烯基邻苯二甲酰胺、聚2-氯苯乙烯和聚五氯苯丙烯酸酯。
4.根据权利要求2所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述聚合物包层材料至少由选自基于芳香族苯环的聚合物和基于稠芳香环的聚合物的材料制成。
5.根据权利要求3或4所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中将高折射率颗粒加入到所述聚合物包层材料的材料中，使其折射率提高。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置，包括邻近所述聚合物包层材料部分的加热器和/或冷却器。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层具有脊形的轮廓。
8.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层的折射率在1.5至2.5之间选择。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述第一波导芯层和/或所述第二波导芯层至少由选自以下的材料制成：Si3N4、TiO2、Ta2O3、ZrO2、Al2O3、Y2O3以及Nb2O5。
10.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中所述第一下包层和/或所述第二下包层至少由以下材料制成：热生长或者化学气相沉积（CVD）的硅，含硅的多组分玻璃，氟化物玻璃，含硅的有机聚合物，或者含硅的混合有机-无机聚合物，或者含氟的有机聚合物或者含氟的混合有机-无机聚合物。
11.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中作为偏振剥离器的金属条被用作所述升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置。
12.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中一种泡沫被应用到所述用于升高或降低所述聚合物包层材料温度的装置上。
13.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中盖板用在所述升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置上，并且其中在所述盖板与所述用于升高和降低所述聚合物包层材料温度的装置之间保留一条气隙。
14.根据权利要求1至4任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器，其中设有用于对所述升高或降低所述聚合物包层材料温度的装置的信号进行电气调制的装置。
15.根据权利要求1至4中的任意一项所述的集成光学波导干涉仪传感器在量油尺中的应用。
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