CN102721431A - 锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器及其制备方法，本传感器由第一个长周期波导光栅经过锥型波导连接第二个长周期波导光栅组成。该传感器结合了级联长周期波导光栅的马赫曾德效应和锥型波导的强渐逝场致高灵敏度特性，具有灵敏度高和响应快的优良特性。该传感器采用简单成熟的紫外光刻法和反应离子刻蚀法的制作工艺。相比于长周期光纤光栅和光纤熔锥的复合器件，该发明具有结构简单、灵敏度高、制作工艺简便等优点，在光波导传感器件领域中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器及其制备方法，属于光学传感器件领域。
背景技术
由于长周期光栅具有重量轻、尺寸小、抗电磁辐射、化学性质稳定、不存在反射等优异的性能，长周期光栅器件被广泛应用于光纤传感和光通信等领域，分为长周期光纤光栅和长周期波导光栅，如何提高其传感灵敏度成为重要的研究内容。长周期光纤光栅在传感方面已经获得丰硕的成果，但是其制作材料单一，几何形状固定。相对于长周期光纤光栅，虽然长周期波导光栅发展较晚，但是长周期波导光栅制作材料多样，能够设计各种光栅结构，实现传感器件的微型化、集成化和模块化，极大地推动各种新型长周期光栅传感器的应用。近来涌现了很多新型长周期波导光栅传感器，例如长周期波导光栅与马赫曾德干涉仪相结合的结构、在波导截面添加光子晶体微结构和覆盖层涂覆高折射的外包层的结构等。这些结构的灵敏度比一般的长周期波导光栅传感器高，能够实现微量测量，其中添加光子晶体要求非常精确的制作工艺，与马赫曾德干涉仪相结合，则制备过程中很难精确控制干涉臂长差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述长周期波导光栅传感器的不足，并结合马赫曾德干涉仪的干涉效应，提出一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器，它是一种改进的马赫曾德干涉仪，结构简单。本传感器的锥型波导具有强渐逝场致高灵敏度特性，进一步提高了传感灵敏度，这将在传感领域有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的构思如下：
本发明提出了一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器，它是基于锥型波导的强渐逝场致高灵敏度特性和级联长周期波导光栅的马赫曾德干涉效应，可采用紫外光刻法技术和反应离子刻蚀法制备锥型波导辅助的级联长周期波导光栅，通过透射谱的变化来测试其传感特性。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器件，是一个基于锥型波导辅助的级联长周期光栅，其特征在于所述基于锥型波导辅助的级联长周期光栅由三部分构成：第一个长周期波导光栅、锥型波导、第二个长周期波导光栅，其中三个部分的芯层折射率相同，它们的包层折射率也相同。
一种上述基于锥型波导辅助的级联长周期光栅传感器的制备方法，其特征在于基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅是由带有锥型波导的聚合物波导刻蚀而成，首先采用紫外光光刻技术制作在硅基二氧化硅基底将基于锥型波导辅助的级联波导图形转移到光刻胶上，然后利用反应离子刻蚀法将基于锥型波导辅助的级联波导刻蚀成基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅，该器件结合了级联长周期波导光栅的马赫曾德效应和锥型波导的强渐逝场致高灵敏度特性，可提高了长周期光栅传感器件的灵敏度。
工作原理
当两个相距较近的长周期光栅级联时，第一个长周期光栅将芯层的部分信号光耦合到包层，以包层模的形式进行传输，信号光经过一段波导的传输后，包层中的光被第二个长周期光栅耦合到芯层中，与芯层中原来的信号光发生干涉，产生马赫曾德干涉效应，第一个长周期光栅和第二个长周期光栅之间波导的芯层和包层相当于马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，第一个长周期波导光栅实现马赫曾德干涉仪中光分束器的作用，第二个长周期波导光栅起到马赫曾德干涉仪中光合波器的作用。
如果考虑两个相同的弱长周期光栅，包层中的光和芯层中的光在第二个长周期光栅相遇时，它们的相位差可近似为 
。其中
是芯层模和包层模的有效折射率差，L是第一个长周期光栅和第二个长周期光栅的中心间距，λ是入射光的波长。当相位差为
的整数倍数时，干涉条纹出现加强。对于紧凑型的传感器来说，L不宜过长。为了提高结构的性能，实现对外界折射率的传感灵敏度，可以增大
。在这个器件中，两个光栅的中间添加一个锥型波导，可以增加渐逝场的形式来增大
。锥型波导中很大部分的信号光在芯层外以渐逝波的形式传播，这部分信号光与环境相互作用，感知周围环境的传感参量变化，灵敏度极高。
本发明是基于级联长周期波导光栅的马赫曾德效应，并结合锥型波导的强渐逝场致高灵敏度特性，通过监测其透射光谱的变化来感知环境的传感参量变化，具有灵敏度高和响应快的优良特性。同时该发明可采用紫外光刻法和反应离子刻蚀法的制作工艺，具有结构简单、灵敏度高、温度稳定性好、工艺简便等优点，在微型化和高灵敏度的传感领域中具有广阔的应用前景。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：
1）结合了锥型波导和级联长周期波导光栅二者的优良特性，可实现小尺寸、高灵敏度和快响应速度的微量检测；
2）由于将波导的芯层和包层作为马赫曾德干涉仪的两臂，其臂长差可以通过控制第一个长周期光栅和第二个长周期光栅之间的波导长度进行控制，具有结构简单的特点。
3）由于两干涉臂为相同波导的包层和芯层，温度对两臂的影响没有差别，提高了该器件的温度稳定性。
4）所发明的器件可采用紫外光刻法和反应离子刻蚀法的制作工艺，具有工艺简便、价格低廉等优点。
附图说明
图1是本发明中锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器的结构立体图。
图2是本发明中锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器的结构俯视图。
图3是本发明中锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器的光栅部分正视图
图4是本发明中锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器的光栅部分侧视图。
具体实施方式
本发明的优选实施案例结合附图说明如下：
实施例一：
本锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器是一种基于锥型波导辅助的级联长周期光栅，参见图1立体图和图2俯视图，由三部分连接构成：第一个长周期波导光栅（1）经过锥型波导（2）连接第二个长周期波导光栅（3），其中三个部分的芯层折射率相同，它们的包层折射率也相同。
上述的基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅的第一个长周期波导光栅（1）和第二个长周期波导光栅（3），参看图3正视图和图4侧视图，由带有锥型波导的聚合物波导刻蚀成的，由上包层（4）、下包层（5）、基底（6）、芯层（7）和构成。
实施例二：
上述传感器的制备方法是：上述基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅是由带有锥型波导的聚合物波导刻蚀而成，首先采用紫外光光刻技术制作在硅基二氧化硅基底将基于锥型波导辅助的级联波导图形转移到光刻胶上，然后利用反应离子刻蚀法将基于锥型波导辅助的级联波导刻蚀成基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅。其具体工艺过程及工艺步骤如下：
1) 利用等离子化学气相沉积在基底硅片上沉积一层二氧化硅作为光波导的下包层，从而形成硅基二氧化硅基底；
2) 用旋涂法将光刻胶均匀涂覆在硅基二氧化硅表面，将样品在一定温度下前烘一段时间，然后用特制的掩膜板对样品进行紫外曝光，将器件整体图样转移到光刻胶上；
3) 将上述样品放在烘箱固化一段时间，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，为下一步反应离子刻蚀做准备；
4) 通入氧气，进行反应离子刻蚀，将样品的芯层刻蚀成长周期波导光栅的形状；
5) 在上面得到的样品上均匀涂覆上包层，烘培固化一段时间；参看图1和图2，宽带信号通过单模光纤将信号光耦合到第一个长周期波导光栅（1），光栅将第一个长周期波导光栅（1）的芯层（7）中的部分信号光耦合到包层中，以包层模的形式进行传输，即第一个长周期波导光栅（1）实现了马赫曾德干涉仪中光分束器的作用，光分束比大小由第一个长周期波导光栅（1）中的光栅凸起高度（13）进行控制。被分束后的光传输到锥型波导（2）；锥型波导（2）的过渡区逐渐变细时，锥型波导（2）的芯层（8）不足以将光束缚在里面传输，越来越多的光进入锥型波导（2）的包层中传输，包层中光的能量增加，包层模在外界中的渐逝波场也增加，光的传输特性会因外界因素—折射率，温度，应变，间接或直接地得发生变化；锥型波导（2）的芯层（9）逐渐变粗时，光由锥型波导（2）的包层重新耦合回到锥型波导（2）的芯层（9），信号光经过锥型波导（2）提高了传感的灵敏度；当信号光分别传输至第二个长周期波导光栅（3）中芯层（10）和包层时，芯层（10）和包层中的光通过第二个长周期光栅（3）相互耦合发生干涉，第二个长周期波导光栅（3）起到了马赫曾德干涉仪中光合波器的作用；可利用光谱分析仪测试干涉信号透射谱的变化进行传感。
Claims (3)
1.一种锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器，是一个基于锥型波导辅助的级联长周期光栅，其特征在于所述基于锥型波导辅助的级联长周期光栅由三部分相连构成：第一个长周期波导光栅(1)经过锥型波导(2)，连接第二个长周期波导光栅(3)，其中三个部分的芯层折射率相同，它们的包层折射率也相同。
2.一种根据权利要求1所述的锥型波导辅助的级联长周期光栅的传感器件，其特征在于所述锥型波导辅助的级联长周期光栅是由带有锥型波导（2）的聚合物波导刻蚀而成，首先采用紫外光光刻技术制作在硅基二氧化硅基底将基于锥型波导辅助的级联波导图形转移到光刻胶上，然后利用反应离子刻蚀法将基于锥型波导辅助的级联波导刻蚀成基于锥型波导辅助的级联长周期波导光栅。
3.根据权利要求2所述的锥型波导辅助的级联长周期波导光栅传感器的制备方法，其具体工艺过程及工艺步骤如下：
1) 利用等离子化学气相沉积在基底硅片上沉积一层二氧化硅作为光波导的下包层，从而形成硅基二氧化硅基底；
2) 用旋涂法将光刻胶均匀涂覆在硅基二氧化硅表面，将样品在一定温度下前烘一段时间，然后用特制的掩膜板对样品进行紫外曝光，将器件整体图样转移到光刻胶上；
3) 将上述样品放在烘箱固化一段时间，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，为下一步反应离子刻蚀做准备；
4) 通入氧气，进行反应离子刻蚀，将样品的芯层刻蚀成长周期波导光栅的形状；
5) 在上面得到的样品上均匀涂覆上包层，烘培固化一段时间；宽带信号通过单模光纤将信号光耦合到第一个长周期波导光栅（1），光栅将第一个长周期波导光栅（1）的芯层（7）中的部分信号光耦合到包层中，以包层模的形式进行传输，即第一个长周期波导光栅（1）实现了马赫曾德干涉仪中光分束器的作用，光分束比大小由第一个长周期波导光栅（1）中的光栅凸起高度（13）进行控制；被分束后的光传输到锥型波导（2）；锥型波导（2）的过渡区逐渐变细时，锥型波导（2）的芯层（8）不足以将光束缚在里面传输，越来越多的光进入锥型波导（2）的包层中传输，包层中光的能量增加，包层模在外界中的渐逝波场也增加，光的传输特性会因外界因素—折射率，温度，应变，间接或直接地得发生变化；锥型波导（2）的芯层（9）逐渐变粗时，光由锥型波导（2）的包层重新耦合回到锥型波导（2）的芯层（9），信号光经过锥型波导（2）提高了传感的灵敏度；当信号光分别传输至第二个长周期波导光栅（3）中芯层（10）和包层时，芯层（10）和包层中的光通过第二个长周期光栅（3）相互耦合发生干涉，第二个长周期波导光栅（3）起到了马赫曾德干涉仪中光合波器的作用；可利用光谱分析仪测试干涉信号透射谱的变化进行传感。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121010 |