CN111398177B - 一种光声光谱检测芯片传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声光谱检测芯片传感器及制作方法，所述传感器包括：振动换能结构、光波导和相移波导光栅，所述光波导设于所述振动换能结构上，所述光波导为三层波导层，包括衬底、导光层和包层，所述振动换能结构作为所述光波导的衬底，所述光波导的导光层为稀土掺杂二氧化硅，所述光波导的包层为二氧化硅，所述相移波导光栅刻写在所述光波导的导光层中；所述方法包括采用mocvd工艺在振动换能结构上生成光波导；采用UV光刻技术在光波导的导光层上刻写相移波导光栅。本发明实现了传感器和换能结构的集成，其结构简单牢固，易制作，便于与其他系统集成，能有效地解决传统光纤分布式传感系统集成问题。

Description

一种光声光谱检测芯片传感器及制作方法
技术领域
本发明属于光学器件领域，涉及光声光谱检测领域，尤其涉及一种光声光谱检测芯片传感器及制作方法。
背景技术
随着科技的迅速发展，光声光谱检测技术在生物医学、工业生产等领域有了越来越多的应用需求，特别是对于气体检测而言，光声光谱技术能够实现对各种有毒有害气体浓度的检测。随着工业生产和环境监测技术的不断提高，人们对于光声光谱气体传感器的集成度和结构性能等方面的要求也越来越高。在某些特殊的应用领域中，不仅对传感器的灵敏度和精度有具体的要求，对传感器的成本、集成度也有着很高的要求。
传统的光声光谱检测利用激光干涉、光纤干涉仪、光纤分布式反馈激光传感器等方法，其中分布式反馈光纤激光器在光声光谱振动测量领域有着广泛的应用，利用外界振动信号对其光纤谐振腔的影响，可以测量出外界振动信号的大小，具有很高的灵敏度和精度，但光纤本身较为脆弱，在微振动测量的应用中有着很高的换能封装要求，而光纤与换能封装结构的结合较为往往较为困难，需要较高的工艺水平，其带来的是传感器成本的增加。而传统用于微振动检测的光波导结构与换能结构的结合往往是粘贴式的结合，其结构稳定性较差，不适于长期的气体检测。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种光声光谱检测芯片传感器，基于平面波导分布式反馈光纤激光器，解决了现有的微振动传感器集成性和稳定性较差的问题。本发明的另一目的在于提供一种光声光谱检测芯片传感器的制作方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光声光谱检测芯片传感器，包括：振动换能结构、光波导和相移波导光栅，所述光波导设于所述振动换能结构上，所述光波导为三层波导层，包括衬底、导光层和包层，所述振动换能结构作为所述光波导的衬底，所述光波导的导光层为稀土掺杂二氧化硅，所述光波导的包层为二氧化硅，所述相移波导光栅刻写在所述光波导的导光层中。
优选地，所述光波导在所述振动换能结构上通过mocvd工艺生成。
优选地，所述相移波导光栅采用UV光刻技术刻写在所述光波导中，所述相移波导光栅的相移量为π。
更优选地，所述振动换能结构为片式基底结构，其振动最强处对应着所述相移波导光栅的π相移位置。
优选地，还包括泵浦光源、耦合器、相位解调模块和探测器，所述泵浦光源用于发射泵浦激光，所述泵浦激光经过所述耦合器入射到所述芯片传感器的相移波导光栅后产生超窄线宽激光，所述芯片传感器的出射光射入外界待测气体中，所述超窄线宽激光输出频率发生漂移再由所述相移波导光栅反射通过所述耦合器进入所述相位解调模块，所述相位解调模块用于将所述超窄线宽激光输出频率的漂移量转化为输出光信号强度的变化量，所述探测器用于接收所述输出光信号强度的变化量并输出外界待测气体浓度信息。
更优选地，所述泵浦激光的频率对应所述相移波导光栅的中心波长。
更优选地，所述相位解调模块和所述探测器均集成在所述光波导上。
一种光声光谱检测芯片传感器的制作方法，包括以下步骤：
(1)采用mocvd工艺在振动换能结构上生成光波导；
(2)采用UV光刻技术在光波导的导光层上刻写相移波导光栅。
优选地，所述步骤(1)中生成光波导的过程包括：
在所述振动换能结构上生成两层二氧化硅光波导和一层稀土掺杂二氧化硅光波导，生成顺序依次为一层二氧化硅光波导、一层稀土掺杂二氧化硅光波导和一层二氧化硅光波导。
优选地，所述步骤(2)中UV光刻时选用掩膜板为所述相移波导光栅的相移光栅掩膜板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在振动换能结构上直接生成光波导，在稀土掺杂二氧化硅的导光层中刻写相移波导光栅，应用声光效应，通过外部光相位检测可直接测量到振动换能结构上的微弱振动信号，实现了传感器和换能结构的集成，其结构简单牢固，易制作，便于与其他系统集成，能有效地解决传统光纤分布式传感系统集成问题。
附图说明
图1是本发明所述的一种光声光谱检测芯片传感器的振动换能结构的结构示意图。
图2是本发明所述的一种光声光谱检测芯片传感器的系统结构示意图。
其中，1、振动换能结构；2、光波导；3、相移波导光栅；4、泵浦光源；5、耦合器；6、相位解调模块；7、探测器。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例
一种光声光谱检测芯片传感器，包括：振动换能结构1、光波导2和相移波导光栅3，光波导2设于振动换能结构1上，光波导2为三层波导层，包括衬底、导光层和包层，振动换能结构1作为光波导2的衬底，光波导2的导光层为稀土掺杂二氧化硅，光波导2的包层为二氧化硅，相移波导光栅3刻写在光波导2的导光层中。
其中，在振动换能结构1上通过mocvd工艺生成光波导2。相移波导光栅3采用UV光刻技术刻写在光波导2中，相移波导光栅3的相移量为π。振动换能结构1为片式基底结构，其振动最强处对应着相移波导光栅3的π相移位置。
本发明所述的光声光谱检测芯片传感器还包括泵浦光源4、耦合器5、相位解调模块6和探测器7，泵浦光源4用于发射泵浦激光，泵浦激光经过耦合器5入射到芯片传感器的相移波导光栅3后产生超窄线宽激光，芯片传感器的出射光射入外界待测气体中，超窄线宽激光输出频率发生漂移再由相移波导光栅3反射通过耦合器5进入相位解调模块6，相位解调模块6用于将超窄线宽激光输出频率的漂移量转化为输出光信号强度的变化量，探测器7用于接收输出光信号强度的变化量并输出外界待测气体浓度信息。泵浦激光的频率对应相移波导光栅3的中心波长。相位解调模块6和探测器7均集成在光波导2上，提高了整个芯片传感器的传感系统的集成度。
其原理是芯片传感器的出射光射入外界待测气体中后，外界待测气体被激发，产生声光效应，从而使芯片传感器接收到外界微弱的振动信号，使得超窄线宽激光输出频率发生漂移。外界微振信号通过所述振动换能结构1传递至光波导2，利用外部光相位检测实现振动的传感检测。
一种光声光谱检测芯片传感器的制作方法，包括以下步骤：
(1)采用mocvd工艺在振动换能结构1上生成光波导2；
(2)采用UV光刻技术在光波导2的导光层上刻写相移光波导2光栅。
步骤(1)中生成光波导2的过程包括：
在振动换能结构1上生成两层二氧化硅光波导和一层稀土掺杂二氧化硅光波导，生成顺序依次为一层二氧化硅光波导、一层稀土掺杂二氧化硅光波导和一层二氧化硅光波导。两层二氧化硅光波导形成光波导2的包层。
步骤(2)中UV光刻时选用掩膜板为相移波导光栅3的相移光栅掩膜板。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种光声光谱检测芯片传感器，包括：振动换能结构、光波导和相移波导光栅，所述光波导设于所述振动换能结构上，所述光波导为三层波导层，包括衬底、导光层和包层，所述振动换能结构作为所述光波导的衬底，所述光波导的导光层为稀土掺杂二氧化硅，所述光波导的包层为二氧化硅，所述相移波导光栅刻写在所述光波导的导光层中；
还包括泵浦光源、耦合器、相位解调模块和探测器，所述泵浦光源用于发射泵浦激光，所述泵浦激光经过所述耦合器入射到所述芯片传感器的相移波导光栅后产生超窄线宽激光，所述芯片传感器的出射光射入外界待测气体中，所述超窄线宽激光输出频率发生漂移再由所述相移波导光栅反射通过所述耦合器进入所述相位解调模块，所述相位解调模块用于将所述超窄线宽激光输出频率的漂移量转化为输出光信号强度的变化量，所述探测器用于接收所述输出光信号强度的变化量并输出外界待测气体浓度信息。
2.根据权利要求1所述的一种光声光谱检测芯片传感器，其特征在于，所述光波导在所述振动换能结构上通过mocvd工艺生成。
3.根据权利要求1所述的一种光声光谱检测芯片传感器，其特征在于，所述相移波导光栅采用UV光刻技术刻写在所述光波导中，所述相移波导光栅的相移量为π。
4.根据权利要求3所述的一种光声光谱检测芯片传感器，其特征在于，所述振动换能结构为片式基底结构，其振动最强处对应着所述相移波导光栅的π相移位置。
5.根据权利要求1所述的一种光声光谱检测芯片传感器，其特征在于，所述泵浦激光的频率对应所述相移波导光栅的中心波长。
6.根据权利要求1所述的一种光声光谱检测芯片传感器，其特征在于，所述相位解调模块和所述探测器均集成在所述光波导上。
7.权利要求1-6任意一项所述的一种光声光谱检测芯片传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用mocvd工艺在振动换能结构上生成光波导；
（2）采用UV光刻技术在光波导的导光层上刻写相移波导光栅；
所述步骤（1）中生成光波导的过程包括：
在所述振动换能结构上生成两层二氧化硅光波导和一层稀土掺杂二氧化硅光波导，生成顺序依次为一层二氧化硅光波导、一层稀土掺杂二氧化硅光波导和一层二氧化硅光波导；
所述步骤（2）中UV光刻时选用掩膜板为所述相移波导光栅的相移光栅掩膜板。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113959952B (zh) * 2021-12-21 2022-04-01 中山大学 一种光声探测芯片与光纤端面的防水封装结构及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6114787A (ja) * 1984-06-29 1986-01-22 Nec Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
CN2653544Y (zh) * 2003-08-29 2004-11-03 华中科技大学 差频型全光波长转换器
CN103346475A (zh) * 2013-05-31 2013-10-09 中国科学院半导体研究所 单片集成耦合腔窄线宽半导体激光器
CN204630586U (zh) * 2015-05-26 2015-09-09 马平 基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器
CN109932050A (zh) * 2016-04-20 2019-06-25 安徽大学 微腔芯片型激光自混合振动、位移、速度传感系统
CN110515157A (zh) * 2019-09-02 2019-11-29 南京大学（苏州）高新技术研究院 一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器
CN110531513A (zh) * 2019-09-03 2019-12-03 山东大学 一种mems换能结构及其应用

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007227560A (ja) * 2006-02-22 2007-09-06 Mitsubishi Electric Corp 利得結合型分布帰還型半導体レーザ

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6114787A (ja) * 1984-06-29 1986-01-22 Nec Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
CN2653544Y (zh) * 2003-08-29 2004-11-03 华中科技大学 差频型全光波长转换器
CN103346475A (zh) * 2013-05-31 2013-10-09 中国科学院半导体研究所 单片集成耦合腔窄线宽半导体激光器
CN204630586U (zh) * 2015-05-26 2015-09-09 马平 基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器
CN109932050A (zh) * 2016-04-20 2019-06-25 安徽大学 微腔芯片型激光自混合振动、位移、速度传感系统
CN110515157A (zh) * 2019-09-02 2019-11-29 南京大学（苏州）高新技术研究院 一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器
CN110531513A (zh) * 2019-09-03 2019-12-03 山东大学 一种mems换能结构及其应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Highly sensitive compact refractive index sensor based on phase-shifted sidewall Bragg gratings in slot waveguide;Xin Wang等;《APPLIED OPTICS》;20140131;第96-103页 *
High-sensitivity ultrasonic phase-shifted fiber Bragg grating balanced sensing system;Qi Wu等;《OPTICS EXPRESS》;20121217;第28352-28362页 *
小型化光声光谱气体传感器研究进展;姜萌等;《激光与光电子学进展》;20150113;第1-9页 *

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