CN105628062A - 基于平板波导共振耦合的光传感器、调制器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于平板波导共振耦合的光传感器、调制器及其制作方法。具体来说，光传感器包括光纤传感器和光波导型传感器，光调制器包括光纤调制器和光波导型调制器。其中，该方法包括：将单模光纤的两端固定，并使所述单模光纤呈拉直状态；在所述单模光纤的一侧沿光纤传输方向上，通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；在所述沟槽中填充敏感物质，以使所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。该发明能够避免长时间的在线监测，简化膜厚控制工艺，且沟槽形状及宽度控制灵活，光纤传感器、调制器结构简单、紧凑且灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤、光波导器件制备技术领域，尤其涉及一种基于平板波导共振耦合的光传感器、调制器及其制作方法。
背景技术
侧边抛磨光纤是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，在光纤的一段长度上将圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分所制成的光纤，其包层抛磨过的那段光纤的横截面相似于大写英文字母D，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形。
通常，足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场，以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄漏到光纤外面。当用抛磨的方法使光纤的包层厚度减小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个纤芯中传输光的倏逝波场的“泄漏窗口”。在此“窗口”处，人们就有可能利用倏逝场来激发、控制、探测光纤纤芯中光波的传播或泄漏。因为是利用侧边抛磨光纤包层中的倏逝场原理做成器件或传感器，所以制成的器件也称为光纤倏逝场器件。
虽然对波导中倏逝场的利用早已在集成光学波导和D型光纤中实现，但侧边磨抛光纤器件与他们相比较有明显的特长：低廉的成本，特别是与光纤光栅相比；对倏逝场利用的区域可人为控制；器件具有极小的插入功耗<0.5dB；极小的偏振相关性<0.02dB；背向反射极小<-50dB；易于与光纤系统熔接等。这些特点使得利用侧边磨抛光纤制造新型全光纤器件和多功能光纤传感器已成为研究开发的有效途径之一。
单纯的侧边磨抛光纤一般只能实现强度传感，为此侧边磨抛光纤一般需要在抛磨的侧边上覆盖一定厚度的膜，来实现对外界环境传感。传统的侧边磨抛方法，如图1所示，先用刀具在石英块上刻划弧形槽(即图中光纤占的槽)，再在弧形槽3中嵌压光纤并使之与槽块粘好，在光纤两端分别接稳定激光光源和光功率计，其中，光纤包括纤芯1和包层2；在研磨块上放置磨料与合适的溶剂调成膏状，将嵌压光纤的石英槽块3与研磨块相互摩擦，并实时监视光功率，至指定的光功率下降时停止研磨；清洗吹干并作表面处理以降低研磨表面的划痕与微裂纹带来的影响；然后在磨抛表面制作一定厚度的覆盖层4。
传统的侧边磨抛方法有如下缺陷：一方面，传统的磨抛工艺制作前一般需要刀具在石英块上划槽，将光纤嵌压粘在刻划的槽里；研磨过程要求对光纤的输出光功率的变化实时监控来判断剩余纤芯厚度，整个研磨过程中都必须连接着光源与光功率计增加了制造的工序复杂度；而且传统的磨抛工艺环境潮湿，对溶剂有特殊要求。另一方面，传统磨抛工艺制作侧边磨抛光纤时其侧边必须完全磨抛掉，在磨抛掉的侧边覆盖膜较薄时，需要外界环境折射率要接近光纤材料，以使TE、TM模的偏振相关性较小；为了弥补这种缺陷，很多研究者采取增大膜厚的方法即覆盖膜采用厚膜来减小偏振相关性，却又造成传感器的自由谱范围减小，从而限制了器件的应用范围。此外，传统制作过程中覆盖膜的膜厚控制工艺的苛刻复杂，这些因素造成侧边磨抛光纤难以实用化。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于平板波导共振耦合的光传感器、调制器及其制作方法，能够避免现有技术中侧边磨抛方法长时间的在线监测，简化膜厚控制工艺，且沟槽形状及宽度控制灵活，使得填充敏感物质的形状位置可能性大大增加，容易满足不同场合的应用需求。而且本发明在光纤器件上的实现原理可以拓展到波导器件上。
第一方面，本发明提供了一种基于平板波导共振耦合的光传感器的制作方法，所述方法包括：
将单模光纤的两端固定，并使所述单模光纤呈拉直状态；
在所述单模光纤的一侧沿光纤传输方向上，通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
在所述沟槽中填充敏感物质，以使所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
优选地，所述通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽，包括：
控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
或者，
将一部分所述光纤包层的材料进行改性，并通过腐蚀介质腐蚀所述改性后的包层，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
或者，
采用反应离子刻蚀所述单模光纤的包层上由预设的路径构成的未掩膜区，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽。
优选地，所述控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，进一步包括：
利用图像传感器CCD监测所述单模光纤的纤芯与激光光斑的相对位置，以实现剩余包层厚度的控制；
当所述相对位置在预设区间时，开始进行所述烧蚀。
优选地，所述方法还包括：
将所述单模光纤的两端分别接入宽带光源及光谱仪，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤的传输光谱；
当所述传输光谱形成的共振干涉光谱对比度大于预设值时，停止对所述包层的处理。
优选地，所述方法还包括：
所述单模光纤的两端分别接入稳定光源和光功率计，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤中传输光的强度；
当所述传输光的强度变化达到预设范围时，停止对所述包层的处理。
优选地，所述控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，包括：
基于所述超短脉冲激光，采用聚焦光斑或贝塞尔光束沿预设的路径对所述单模光纤进行烧蚀，形成沟槽。
优选地，所述光纤的最小剩余包层厚度为0.5～4微米。
优选地，所述沟槽为沟道、孔槽、孔道中的一种或多种的组合。
第二方面，本发明提供了一种光传感器，包括光纤，所述光纤的包层的一侧具有预设形状的沟槽；
所述沟槽中填充有敏感物质，且所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
第四方面，本发明提供了一种调制器，包括信号加载电极及上述的光传感器；
所述信号加载电极位于所述光传感器中光纤沟槽的两侧。
由上述技术方案可知，本发明提供一种基于平板波导共振耦合的光传感器、调制器及其制作方法，其中，制作方法通过超短脉冲激光沿预设的路径对单模光纤进行烧蚀，以形成预设形状的沟槽，该方法能够避免如现有技术中侧边磨抛方法长时间的在线监测，制备沟槽的同时实现了后续成膜工艺中的膜厚控制，简化膜厚控制工艺；且沟槽形状及宽度控制灵活，使得填充敏感物质的形状位置可能性大大增加，容易满足不同场合的应用需求。且沟槽内的敏感物质层与光纤纤芯构成平板波导共振耦合结构，从而具有很高的灵敏度。而且该种共振耦合结构也可以在光波导器件上实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是现有技术中传统侧边抛磨光纤传感器制作方法的示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种基于平板波导共振耦合的光传感器的制作方法的流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种光纤的结构示意图。
图4是本发明一实施例提供的一种波导器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2示出了本发明一实施例提供的一种基于平板波导共振耦合的光传感器的制作方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：
S1：将单模光纤的两端固定，并使所述单模光纤呈拉直状态。
具体来说，本步骤中可将单模光纤固定在专用夹具上，且使单模光纤水平无弯曲呈自然拉直状态。
S2：在所述单模光纤的一侧沿光纤传输方向上，通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽。
具体来说，本步骤中在单模光纤的包层处，控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤进行烧蚀，以在所述单模光纤的包层上形成预设形状的沟槽。
具体地，可将所述超短脉冲激光，采用聚焦光斑或贝塞尔光束对所述单模光纤进行烧蚀，形成沟槽。举例来说，将超短脉冲整形、聚焦到合适的焦斑大小、焦场形状，将单模光纤自然拉直或施加固定预紧力拉直，并将其两端固定在专用夹具上；利用视觉辅助的方法定位光纤(特别是纤芯与包层的界面)与激光光斑的相对位置，结合沟槽的预设形状轨迹可以确定最终希望的剩余包层厚度，随即超短脉冲激光在所述单模光纤一侧沿特定路径进行烧蚀，在光纤上形成沟槽，预设形状的沟槽包括：侧沟道或侧孔槽。且所述沟槽的形状可以是优化设计过的形状，不一定是标准的圆弧形状。
需要说明的是，所述沟槽可通过如下方式实现：
控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；或者，将一部分所述光纤包层的材料进行改性，并通过腐蚀介质腐蚀所述改性后的包层，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；或者，采用反应离子刻蚀所述单模光纤的包层上由预设的路径构成的未掩膜区，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽。当然，还可以通过其他的高深宽比结构加工方法来实现沟槽的加工，此处并不对其进行限制。另外如果是侧孔槽，则孔截面长宽比依不同应用可以长宽差别不大。
S3：在所述沟槽中填充敏感物质，以使所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
具体来说，在制备过程对光纤包层的材料的去除很少，槽外侧的剩余结构能够作为光波导限制层并一定程度上增加强度，而且在得到侧抛光纤结构的同时沟槽宽度能够确定后续成膜工艺的膜厚(即敏感物质的厚度)，简化了成膜工艺控制。
由此可见，本实施例能够基于形成的沟槽的形状，有效地控制敏感物质的厚度。而如图1所示，现有技术需要在磨抛表面制作一定厚度的覆盖层4，而覆盖层的厚度需要在有效的控制下才能获得，工艺较为复杂。而本实施例的方法能够有效简化成膜工艺控制。
需要说明的是，本实施例中，光纤和沟槽的相对曲直可以发生变化，即也可以将光纤嵌在划刻的曲线槽中，从而对侧沟槽进行直线加工。
本实施例提供了一种基于平板波导共振耦合的光传感器的制作方法，通过超短脉冲激光沿预设的路径对单模光纤进行烧蚀，以形成预设形状的沟槽，该方法能够避免如现有技术中侧边磨抛方法长时间的在线监测，制备沟槽的同时实现了后续成膜工艺中的膜厚控制，简化膜厚控制工艺；且沟槽形状及宽度控制灵活，使得填充敏感物质的形状位置可能性大大增加，容易满足不同场合的应用需求。且沟槽内的敏感物质层与光纤纤芯构成平板波导共振耦合结构，从而具有很高的灵敏度。而且该种共振耦合结构也可以在光波导器件上实现。
本实施例中，步骤S102中对控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀时，所述方法还包括如下步骤：
A01、利用图像传感器CCD监测所述单模光纤的纤芯与激光光斑的相对位置，以实现剩余包层厚度的控制；
A02、当所述相对位置在预设区间时，开始进行所述烧蚀或改性。
具体来说，利用CCD辅助视觉辅助的方法定位光纤(特别是纤芯与包层的界面)与激光光斑的相对位置，结合沟槽形状轨迹可以确定最终希望的剩余包层厚度。
本实施例中，步骤S102中对所述单模光纤进行烧蚀的步骤，可由如下步骤实现：
基于所述超短脉冲激光，采用聚焦光斑或贝塞尔光束沿预设的路径对所述单模光纤进行烧蚀，形成沟槽。
具体来说，将超短脉冲整形、聚焦到合适的焦斑大小、焦场形状，或者形成贝塞尔光束对所述光纤进行烧蚀，形成预设形状的沟槽。该沟槽的形状可由光斑或者光束相对运动轨迹决定，沟槽宽度基本可由光斑或者光束的能量分布与作用时间决定。而调整沟槽宽度可以控制最终制备传感器的自由谱范围，沟槽宽度越窄自由谱范围越大。
在本发明一优选的实施例中，步骤S102对上述光纤的包层进行处理时，上述方法还包括如下步骤：
B01、将所述单模光纤的两端分别接入宽带光源及光谱仪，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤的传输光谱；
具体来说，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理指的是：将所述单模光纤置入高折射率液体中并对其包层进行处理，如液体辅助激光烧蚀等。
B02、当所述传输光谱形成的共振干涉光谱对比度大于预设值时，停止对所述光纤的包层的处理。
由此可见，敏感物质与纤芯形成的平板波导共振耦合结构，将导致单模光纤的传输光谱形成共振干涉光谱。而当烧蚀或腐蚀至共振干涉光谱的对比度大于预设值(如10dB)时，可认为获得了高对比度的共振干涉光谱，此时停止对所述光纤的包层的处理，即停止对包层的液体辅助烧蚀或改性后腐蚀等处理。
在本发明另一优选的实施例中，步骤S102对上述光纤的包层进行处理时，上述方法还包括如下步骤：
所述单模光纤的两端分别接入稳定光源和光功率计，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤中传输光的强度；
当所述传输光的强度变化达到预设范围时，停止对所述包层的处理。
本实施例中，所述光纤的最小剩余包层厚度，即预设形状的沟槽的顶点与所述单模光纤的纤芯表面的距离容差可达0.5～4微米。
由此可见，基于本实施例的光传感器的制作方法，可将沟槽与纤芯表面的距离控制地足够小，实现对光纤包层上的沟槽制备的精确控制。
需要说明的是，本实施例中的沟槽为沟道、孔槽、孔道中的一种或多种的组合。可分别用于不同物理参数的传感器。
本发明另一实施例提供了一种光传感器，包括光纤。如图3示出了本发明一实施例提供的一种光纤的结构示意图，如图3所示，该光纤包括纤芯1与包层2，所述光纤的包层2的一侧具有预设形状的沟槽5。
需要说明的是，预设形状的沟槽包括：侧沟道或侧孔槽。所述沟槽的形状可以是优化设计过的形状，不一定是如图3所示的标准的圆弧形状。且上述光纤的沟槽可为沟道、孔槽、孔道中的一种或多种的组合，以用于不同物理参数的传感器。
其中，沟槽5中填充有敏感物质，且所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
举例来说，沟槽5中的敏感物质可为热光聚合物、电光聚合物等，以作为各种传感器的敏感部。
本实施例中，所述光纤的最小剩余包层厚度，即预设形状的沟槽的顶点与所述单模光纤的纤芯表面的距离容差可达0.5～4微米。即本实施例中可以通过形状轨迹的优化设计减小光纤的沟槽与纤芯表面的距离误差对性能的影响。
本实施例提供了一种光传感器，具体可通过上述实施例中的制作方法制备而成。该光传感器中的光纤的沟槽形状及宽度能够控制灵活，使得填充敏感物质的形状位置可能性大大增加，容易满足不同场合的应用需求。且该光纤的结构简单、紧凑。另外，该光纤不用完全去除侧边，槽外侧剩余包层能够作为光波导限制层并在一定程度上增加机械强度。
具体来说，该光纤传感器中的光纤包括纤芯与包层，所述光纤的包层的一侧具有预设形状的沟槽。且沟槽中填充有敏感物质，所述敏感物质与所述纤芯形成平板波导共振耦合结构。
由此，可将上述实施例中的光纤作为光纤传感器中的敏感部。
可理解地，上述光纤的包层厚度减小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个纤芯中传输光的倏逝波场的“泄漏窗口”。在此“窗口”处，人们就有可能利用倏逝场来激发、控制、探测光纤纤芯中光波的传播或泄漏。因为是利用侧边抛磨光纤包层中的倏逝场原理做成器件或传感器，所以制成的器件也称为光纤倏逝场器件。
基于上述实施例中光纤传感器，结构简单、紧凑；而由于该光纤传感器中光纤中沟道与纤芯表面的距离容差可达0.5～4微米，共振耦合结构使得该传感器具有很高的敏感度；该光纤的使用降低了器件的损耗，且偏振相关度较小。另外，调整光纤传感器中光纤的沟槽宽度可以控制最终制备传感器的自由谱范围，沟槽宽度越窄自由谱范围越大。
上述实施例中的光纤可制备成多种功能的光纤传感器。举例来说，若在光纤的沟槽中填充热光聚合物作为敏感物质，则可制备成温度传感器；而若将光纤中的沟槽设置为孔道型的，则除了可以填充敏感物质，还可以作为微流体通道从而检测液体折射率。
本发明另一实施例提供了一种调制器，包括信号加载电极及上述实施例的光纤。具体地，信号加载电极位于所述光纤中沟槽的两侧，或者其它能够对沟槽中敏感物质施加有效影响的位置，以对所述电光或热光等敏感物质施加电场或热场等。
具体来说，上述实施例中的光传感器包括光纤传感器和光波导型传感器，上述实施例中的光调制器包括光纤调制器和光波导型调制器。
需要说明的是，制作上述实施例中的光传感器及调制器中的光纤可用光波导器件替换。
对于波导器件而言，见图4，基本上是超短脉冲激光直写光波导基片7，然后通过超短脉冲激光在CCD视觉辅助定位的情况下进行烧蚀或者改性后腐蚀获得侧边沟槽5；或者离子交换等多种平面工艺制备光波导，也可以激光直接光波导，继而可利用平面制备工艺掩膜光刻后刻蚀得到沟槽5；或者如上面用激光烧蚀或者改性后腐蚀得到沟槽5；最后在沟槽5中填充敏感物质，从而与光波导6构成平板波导共振耦合结构。由于其与利用光纤制作光传感器的方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见上述方法实施例的部分说明即可。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下，还可设计出替换实施例以及各种变化和变型。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
Claims (9)
1.一种基于平板波导共振耦合的光传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
将单模光纤的两端固定，并使所述单模光纤呈拉直状态；
在所述单模光纤的一侧沿光纤传输方向上，通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
在所述沟槽中填充敏感物质，以使所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过高深宽比结构加工方法沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行处理，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽，包括：
控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
或者，
将一部分所述光纤包层的材料进行改性，并通过腐蚀介质腐蚀所述改性后的包层，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽；
或者，
采用反应离子刻蚀所述单模光纤的包层上由预设的路径构成的未掩膜区，以去除一部分所述包层形成预设形状的沟槽。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，进一步包括：
利用图像传感器CCD监测所述单模光纤的纤芯与激光光斑的相对位置，以实现剩余包层厚度的控制；
当所述相对位置在预设区间时，开始进行所述烧蚀。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述单模光纤的两端分别接入宽带光源及光谱仪，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤的传输光谱；
当所述传输光谱形成的共振干涉光谱对比度大于预设值时，停止对所述包层的处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述单模光纤的两端分别接入稳定光源和光功率计，将所述单模光纤置入高折射率液体中处理并同时监测所述单模光纤中传输光的强度；
当所述传输光的强度变化达到预设范围时，停止对所述包层的处理。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制超短脉冲激光沿预设的路径对所述单模光纤的包层进行烧蚀，包括：
基于所述超短脉冲激光，采用聚焦光斑或贝塞尔光束沿预设的路径对所述单模光纤进行烧蚀，形成沟槽。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤的最小剩余包层厚度为0.5～4微米。
8.一种光传感器，包括光纤，其特征在于，所述光纤的包层的一侧具有预设形状的沟槽；
所述沟槽中填充有敏感物质，且所述敏感物质与所述光纤的纤芯形成平板波导共振耦合结构。
9.一种调制器，其特征在于，包括信号加载电极及权利要求8所述的光传感器；
所述信号加载电极位于所述光传感器中光纤沟槽的两侧。
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