CN104316996B - 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，包括基底、下包层、上包层、芯层；下包层设置在基底的上表面；芯层设置在下包层的上表面；芯层上表面以及芯层周侧的下包层上表面均与有上包层的下表面贴合；布拉格光栅设置在芯层的下表面，布拉格光栅与芯层构成波导布拉格光栅；挖空上包层中心区域形成凹槽，并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域；凹槽中设置有待测液体，待测液体与凹槽中的芯层接触；芯层的一端作为输入光波导，另一端作为输出光波导。通过检测波导布拉格光栅中心波长的偏移量实现折射率传感的功能。该传感器传感范围较大、传感灵敏度高，且加工工艺简单、成本低廉、易于集成，在生化传感领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，属于集成光学折射率传感器领域。
背景技术
波导布拉格光栅是一种带阻滤波器，决定其中心波长的波导模式的有效折射率和光栅周期可以受外界环境影响，从而通过检测其中心波长可以实现光传感领域的折射率传感、生化传感、温度传感和应力传感。
近年来，随着集成光学和生化传感技术的发展，已经出现了各种波导光栅折射率传感器。常见的波导光栅折射率传感器类型包括：光纤布拉格光栅折射率传感器、基于二氧化硅光波导(planar lightwave circuit,PLC)的波导布拉格光栅折射率传感器、基于硅基二氧化硅(SOI)的波导布拉格光栅折射率传感器。光纤布拉格光栅折射率传感器的芯层和包层折射率差小，折射率传感范围较小,灵敏度也较低，体积也相对较大，不利于集成；二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包层的折射率差小，折射率传感范围较小,灵敏度也较低，材料和加工成本较高；硅基二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包层折的射率差大，器件插入损耗较大，材料和加工成本很高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于聚合物材料的波导布拉格光栅折射率传感器，具有折射率传感范围大、灵敏度高的特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，包括基底1、下包层2、上包层4、芯层3；所述下包层2设置在基底1的上表面；所述芯层3设置在下包层2的上表面；所述芯层3上表面以及芯层3周侧的下包层2上表面均与上包层4的下表面贴合；所述布拉格光栅5设置在芯层3的下表面，所述布拉格光栅5与芯层3构成波导布拉格光栅；挖空上包层4的中心区域形成凹槽6，并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域；所述凹槽6中设置有待测液体，所述待测液体与凹槽6中的芯层接触；所述芯层3的一端作为输入光波导7，另一端作为输出光波导8；光信号从输入波导7中输入，进入波导布拉格光栅结构中与待测液体接触，最后从输出光波导8输出。
进一步的，芯层3的表面宽度小于上、下包层的表面宽度，芯层3的表面长度与上、下包层一样。
进一步的，下包层2采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物；芯层3采用折射率为1.6～1.8的有机聚合物；上包层4采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物。
进一步的，布拉格光栅5采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。
进一步的，所述芯层3采用矩形光波导结构。
有益效果：本发明提供的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器：
(1)与现有技术相比，采用本发明所设计的折射率传感器结构采用聚合物作为器件材料，波导芯层和包层折射率的选择灵活，加工工艺简单廉价，材料成本低，从而器件成本低；采用高折射率差的聚合物材料作为上、下包层和芯层，并使具有波导布拉格光栅的芯层的两个侧面和顶面与待测液体接触，可以增大折射率传感范围、提高折射率传感灵敏度；器件具有体积小、重量轻、成本低和易于集成的优点。
(2)布拉格光栅5采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构，易于通过微加工工艺制备。
附图说明
图1为本发明器件结构的顶面俯视图。
图2为本发明器件结构中中心处的正面剖视图。
图3为本发明器件结构中中心处的侧面剖视图。
图4为本发明器件在不同折射率液体中的透射光谱示意图。
图5为本发明器件的透射光谱中心波长与外界液体折射率的关系示意图。
图6为本发明器件的折射率传感灵敏度与外界液体折射率的关系示意图。
图中有：基底1，下包层2，芯层3，上包层4，布拉格光栅5，凹槽6，输入光波导7，输出光波导8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1是本发明的一种聚合物集成波导光栅折射率传感器的具体实施示意图。
一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，包括基底1、下包层2、上包层4、芯层3；所述下包层2设置在基底1的上表面；所述芯层3设置在下包层2的上表面；所述芯层3上表面以及芯层3周侧的下包层2上表面均与上包层4的下表面贴合；所述布拉格光栅5设置在芯层3的下表面，所述布拉格光栅5与芯层3构成波导布拉格光栅；挖空上包层4的中心区域形成凹槽6，并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域；所述凹槽6中设置有待测液体，所述待测液体与凹槽6中的芯层接触；所述芯层3的一端作为输入光波导7，另一端作为输出光波导8；光信号从输入波导7中输入，进入波导布拉格光栅结构中与待测液体接触，最后从输出光波导8输出。
进一步的，芯层3的表面宽度小于上、下包层的表面宽度，芯层3的表面长度与上、下包层一样。
进一步的，下包层2采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物，如聚氟化丙烯酸脂，氟化聚甲基丙烯酸甲脂等；芯层3采用折射率为1.6～1.8的有机聚合物，如聚砜，聚酰亚胺等；上包层4采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物，如聚氟化丙烯酸脂，氟化聚甲基丙烯酸甲脂等。
进一步的，布拉格光栅5采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。
进一步的，芯层(3)采用矩形光波导结构。
因为聚合物波导布拉格光栅的折射率传感范围是：上、下包层折射率<待测液体折射率<芯层折射率，而聚合物材料的折射率范围一般在1.3～1.8之间，因此为了增大折射率传感范围，上下包层采用低折射率材料，芯层采用高折射率材料。下包层2采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物，芯层3采用折射率为1.6～1.8的有机聚合物，上包层4采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物。
因为凹凸型皱褶光栅结构易于通过微加工工艺制备，所以布拉格光栅5采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。
为了增加波导布拉格光栅与待测液体的接触面积，从而提高折射率传感灵敏度，芯层采用矩形光波导结构。
凹槽中的芯层的两个侧面和上表面裸露，并与待测液体接触，从而构成折射率传感窗口。
本发明的聚合物集成波导光栅折射率传感器采用折射率差高的聚合物材料作为光上、下包层和芯层。外界待测液体折射率的变化可以改变波导布拉格光栅模式的有效折射率，从而使波导布拉格光栅的中心波长发生偏移，通过检测其中心波长的偏移量，并结合标定的折射率与波导布拉格光栅中心波长偏移量的关系，实现对待测液体折射率的传感。
本发明所设计的聚合物集成波导光栅折射率传感器具体的工作原理如下：宽光谱光信号从输入波导7中输入，进入波导布拉格光栅结构区域中，与待测液体接触，当液体的折射率发生变化时，波导布拉格光栅区的波导有效折射率neff就会相应改变，而波导布拉格光栅的中心波长λB由以下光栅方程决定：
λB＝2×neff×Λ (1)
其中neff为波导布拉格光栅的模式有效折射率，Λ为光栅周期。式(1)表明，当待测液体的折射率变化导致的波导布拉格光栅模式有效折射率neff变化，从而使波导布拉格光栅的中心波长λB发生偏移。
图4是待测液体折射率发生变化时，聚合物波导布拉格光栅折射率传感器的透射光谱图，图中不同中心波长处的透射光谱分别对应不同的待测液体折射率，通过检测中心波长λB的偏移量就可以实现对待测液体折射率的传感。根据光波导导模传播条件可知，待测液体的折射率必须小于芯层3的材料折射率，相比于平面光波导PLC和光纤(n＝1.446)布拉格光栅，我们采用高折射率聚合物材料(折射率n＝1.6～1.8)作为芯层3，可以增大折射率传感范围。本发明结构中的凹槽中的芯层的顶面和两个侧面都裸露于待测液体中，可以最大程度增加布拉格波导光栅与待测液体的接触面积，从而提高折射率传感灵敏度。
以下是本发明聚合物集成波导光栅传感器结构的一种典型实例：
下包层2和上包层4的材料选用紫外固化聚合物材料ZPU44，其在1550nm波长附近的折射率为1.44，芯层3选用聚砜聚合物材料，其在1550nm波长附近的折射率为1.6。选择1550nm～1650nm波长的宽光谱光作为入射光信号，器件的具体结构参数如表1：
表1器件的结构参数
根据上述器件参数，采用传输矩阵法对该聚合物波导布拉格光栅折射率传感器进行分析，得到的待测溶液折射率与波导布拉格光栅中心波长的关系如图5所示。从结果可以看出在不同的待测溶液环境中，聚合物波导布拉格光栅传输光谱的中心波长发生了偏移，并且外界折射率越大，中心波长偏移量就越大，结合标定的折射率与中心波长的关系，就可以通过检测中心波长偏移量对外界折射率进行传感。
图6是根据图(5)得到的聚合物波导布拉格光栅折射率传感灵敏度与待测液体折射率的关系图，从图中可以看出，折射率传感灵敏度随着待测溶液折射率增大而提高，折射率传感范围为1.3～1.54，最大的折射率传感灵敏度约为680nm/RIU，优于传统的基于SiO2的波导布拉格光栅折射率传感器。通常的光纤布拉格光栅折射率传感器需要去除光纤包层从而使光纤容易断裂难于封装，而且折射率传感范围较小(1.3～1.45)，并且光纤布拉格光栅折射率传感器尺寸较大，不能集成；同样基于SiO2的波导布拉格光栅折射率传感器，折射率传感范围较小(1.3～1.45)，制作工艺复杂，成本较高；基于Si的波导布拉格光栅折射率传感器插入损耗大，制备工艺复杂，成本高。本发明提出的聚合物波导布拉格光栅折射率传感器不但可以实现较大范围的高灵敏度折射率传感，并且材料廉价，制备工艺简单，易于集成，可以大大降低器件成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，其特征在于：包括基底(1)、下包层(2)、上包层(4)、芯层(3)；所述下包层(2)设置在基底(1)的上表面；所述芯层(3)设置在下包层(2)的上表面；所述芯层(3)上表面以及芯层(3)周侧的下包层(2)上表面均与上包层(4)的下表面贴合；所述布拉格光栅(5)设置在芯层(3)的下表面，所述布拉格光栅(5)与芯层(3)构成波导布拉格光栅；挖空上包层(4)的中心区域形成凹槽(6)，并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域；所述凹槽(6)中设置有待测液体，所述待测液体与凹槽(6)中的芯层接触；所述芯层(3)的一端作为输入光波导(7)，另一端作为输出光波导(8)；光信号从输入波导(7)中输入，进入波导布拉格光栅结构中与待测液体接触，最后从输出光波导(8)输出。
2.根据权利要求1所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，其特征在于：芯层(3)的表面宽度小于上、下包层的表面宽度，芯层(3)的表面长度与上、下包层一样。
3.根据权利要求1所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，其特征在于：下包层(2)采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物；芯层(3)采用折射率为1.6～1.8的有机聚合物；上包层(4)采用折射率为1.35～1.45的有机聚合物。
4.根据权利要求1所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，其特征在于：布拉格光栅(5)采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。
5.根据权利要求1所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器，其特征在于：所述芯层(3)采用矩形光波导结构。
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