專利名稱：錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器及其制備方法，屬于光學傳感器件領域。
背景技術：
由于長周期光柵具有重量輕、尺寸小、抗電磁輻射、化學性質穩(wěn)定、不存在反射等優(yōu)異的性能，長周期光柵器件被廣泛應用于光纖傳感和光通信等領域，分為長周期光纖光柵和長周期波導光柵，如何提高其傳感靈敏度成為重要的研究內容。長周期光纖光柵在傳感方面已經獲得豐碩的成果，但是其制作材料單一，幾何形狀固定。相對于長周期光纖光柵，雖然長周期波導光柵發(fā)展較晚，但是長周期波導光柵制作材料多樣，能夠設計各種光柵結構，實現傳感器件的微型化、集成化和模塊化，極大地推動各種新型長周期光柵傳感器的應用。近來涌現了很多新型長周期波導光柵傳感器，例如長周期波導光柵與馬赫曾德干涉 儀相結合的結構、在波導截面添加光子晶體微結構和覆蓋層涂覆高折射的外包層的結構等。這些結構的靈敏度比一般的長周期波導光柵傳感器高，能夠實現微量測量，其中添加光子晶體要求非常精確的制作工藝，與馬赫曾德干涉儀相結合，則制備過程中很難精確控制干涉臂長差。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述長周期波導光柵傳感器的不足，并結合馬赫曾德干涉儀的干涉效應，提出一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器，它是一種改進的馬赫曾德干涉儀，結構簡單。本傳感器的錐型波導具有強漸逝場致高靈敏度特性，進一步提高了傳感靈敏度，這將在傳感領域有廣闊的應用前景。為達到上述目的，本發(fā)明采用的構思如下
本發(fā)明提出了一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器，它是基于錐型波導的強漸逝場致高靈敏度特性和級聯(lián)長周期波導光柵的馬赫曾德干涉效應，可采用紫外光刻法技術和反應離子刻蝕法制備錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵，通過透射譜的變化來測試其傳感特性。根據上述構思，本發(fā)明采用下述技術方案
一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器件，是一個基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵，其特征在于所述基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵由三部分構成第一個長周期波導光柵、錐型波導、第二個長周期波導光柵，其中三個部分的芯層折射率相同，它們的包層折射率也相同。一種上述基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵傳感器的制備方法，其特征在于基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵是由帶有錐型波導的聚合物波導刻蝕而成，首先采用紫外光光刻技術制作在硅基二氧化硅基底將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導圖形轉移到光刻膠上，然后利用反應離子刻蝕法將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導刻蝕成基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵，該器件結合了級聯(lián)長周期波導光柵的馬赫曾德效應和錐型波導的強漸逝場致高靈敏度特性，可提高了長周期光柵傳感器件的靈敏度。工作原理
當兩個相距較近的長周期光柵級聯(lián)時，第一個長周期光柵將芯層的部分信號光耦合到包層，以包層模的形式進行傳輸，信號光經過一段波導的傳輸后，包層中的光被第二個長周期光柵耦合到芯層中，與芯層中原來的信號光發(fā)生干涉，產生馬赫曾德干涉效應，第一個長周期光柵和第二個長周期光柵之間波導的芯層和包層相當于馬赫曾德干涉儀的兩個干涉臂，第一個長周期波導光柵實現馬赫曾德干涉儀中光分束器的作用，第二個長周期波導光柵起到馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用。如果考慮兩個相同的弱長周期光柵，包層中的光和芯層中的光在第二個長周期光柵相遇時，它們的相位差可近似為
2池n也U A。其中是芯層模和包層模的有效折射率差，Z是第一個長周期光柵和第
二個長周期光柵的中心間距，』是入射光的波長。當相位差為2 r的整數倍數時，干涉條紋出現加強。對于緊湊型的傳感器來說，Z不宜過長。為了提高結構的性能，實現對外界折射率的傳感靈敏度，可以增大。在這個器件中，兩個光柵的中間添加一個錐型波導，可以
增加漸逝場的形式來增大。錐型波導中很大部分的信號光在芯層外以漸逝波的形式
傳播，這部分信號光與環(huán)境相互作用，感知周圍環(huán)境的傳感參量變化，靈敏度極高。本發(fā)明是基于級聯(lián)長周期波導光柵的馬赫曾德效應，并結合錐型波導的強漸逝場致高靈敏度特性，通過監(jiān)測其透射光譜的變化來感知環(huán)境的傳感參量變化，具有靈敏度高和響應快的優(yōu)良特性。同時該發(fā)明可采用紫外光刻法和反應離子刻蝕法的制作工藝，具有結構簡單、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、工藝簡便等優(yōu)點，在微型化和高靈敏度的傳感領域中具有廣闊的應用前景。本發(fā)明與現有技術相比較，具有如下突出實質性特點和顯著優(yōu)點
1)結合了錐型波導和級聯(lián)長周期波導光柵二者的優(yōu)良特性，可實現小尺寸、高靈敏度和快響應速度的微量檢測；
2)由于將波導的芯層和包層作為馬赫曾德干涉儀的兩臂，其臂長差可以通過控制第一個長周期光柵和第二個長周期光柵之間的波導長度進行控制，具有結構簡單的特點。3)由于兩干涉臂為相同波導的包層和芯層，溫度對兩臂的影響沒有差別，提高了該器件的溫度穩(wěn)定性。4)所發(fā)明的器件可采用紫外光刻法和反應離子刻蝕法的制作工藝，具有工藝簡便、價格低廉等優(yōu)點。
圖I是本發(fā)明中錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器的結構立體圖。圖2是本發(fā)明中錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器的結構俯視圖。圖3是本發(fā)明中錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器的光柵部分正視圖 圖4是本發(fā)明中錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器的光柵部分側視圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施案例結合
如下
實施例一
本錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器是一種基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵，參見圖I立體圖和圖2俯視圖，由三部分連接構成第一個長周期波導光柵(I)經過錐型波導(2)連接第二個長周期波導光柵(3)，其中三個部分的芯層折射率相同，它們的包層折射率也相同。上述的基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵的第一個長周期波導光柵(I)和第二個長周期波導光柵(3)，參看圖3正視圖和圖4側視圖，由帶有錐型波導的聚合物波導刻蝕成的，由上包層(4)、下包層(5)、基底(6)、芯層(7)和構成。實施例二 上述傳感器的制備方法是上述基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵是由帶有錐 型波導的聚合物波導刻蝕而成，首先采用紫外光光刻技術制作在硅基二氧化硅基底將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導圖形轉移到光刻膠上，然后利用反應離子刻蝕法將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導刻蝕成基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵。其具體工藝過程及工藝步驟如下
1)利用等離子化學氣相沉積在基底硅片上沉積一層二氧化硅作為光波導的下包層，從而形成硅基二氧化硅基底；
2)用旋涂法將光刻膠均勻涂覆在硅基二氧化硅表面，將樣品在一定溫度下前烘一段時間，然后用特制的掩膜板對樣品進行紫外曝光，將器件整體圖樣轉移到光刻膠上；
3)將上述樣品放在烘箱固化一段時間，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區(qū)域，為下一步反應離子刻蝕做準備；
4)通入氧氣，進行反應離子刻蝕，將樣品的芯層刻蝕成長周期波導光柵的形狀；
5)在上面得到的樣品上均勻涂覆上包層，烘培固化一段時間；參看圖I和圖2，寬帶信號通過單模光纖將信號光耦合到第一個長周期波導光柵(I )，光柵將第一個長周期波導光柵(I)的芯層(7)中的部分信號光耦合到包層中，以包層模的形式進行傳輸，即第一個長周期波導光柵(I)實現了馬赫曾德干涉儀中光分束器的作用，光分束比大小由第一個長周期波導光柵(I)中的光柵凸起高度(13)進行控制。被分束后的光傳輸到錐型波導(2);錐型波導(2)的過渡區(qū)逐漸變細時，錐型波導(2)的芯層(8)不足以將光束縛在里面?zhèn)鬏?，越來越多的光進入錐型波導(2)的包層中傳輸，包層中光的能量增加，包層模在外界中的漸逝波場也增加，光的傳輸特性會因外界因素一折射率，溫度，應變，間接或直接地得發(fā)生變化；錐型波導(2)的芯層(9)逐漸變粗時，光由錐型波導(2)的包層重新耦合回到錐型波導(2)的芯層(9)，信號光經過錐型波導(2)提高了傳感的靈敏度；當信號光分別傳輸至第二個長周期波導光柵(3)中芯層(10)和包層時，芯層(10)和包層中的光通過第二個長周期光柵(3)相互耦合發(fā)生干涉，第二個長周期波導光柵(3)起到了馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用；可利用光譜分析儀測試干涉信號透射譜的變化進行傳感。
權利要求
1.一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器，是一個基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵，其特征在于所述基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵由三部分相連構成第一個長周期波導光柵(I)經過錐型波導(2)，連接第二個長周期波導光柵(3)，其中三個部分的芯層折射率相同，它們的包層折射率也相同。
2.一種根據權利要求I所述的錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵的傳感器件，其特征在于所述錐型波導輔助的級聯(lián)長周期光柵是由帶有錐型波導(2)的聚合物波導刻蝕而成，首先采用紫外光光刻技術制作在硅基二氧化硅基底將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導圖形轉移到光刻膠上，然后利用反應離子刻蝕法將基于錐型波導輔助的級聯(lián)波導刻蝕成基于錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵。
3.根據權利要求2所述的錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器的制備方法，其具體工藝過程及工藝步驟如下 1)利用等離子化學氣相沉積在基底硅片上沉積一層二氧化硅作為光波導的下包層，從而形成硅基二氧化硅基底； 2)用旋涂法將光刻膠均勻涂覆在硅基二氧化硅表面，將樣品在一定溫度下前烘一段時間，然后用特制的掩膜板對樣品進行紫外曝光，將器件整體圖樣轉移到光刻膠上； 3)將上述樣品放在烘箱固化一段時間，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區(qū)域，為下一步反應離子刻蝕做準備； 4)通入氧氣，進行反應離子刻蝕，將樣品的芯層刻蝕成長周期波導光柵的形狀； 5)在上面得到的樣品上均勻涂覆上包層，烘培固化一段時間；寬帶信號通過單模光纖將信號光耦合到第一個長周期波導光柵(I)，光柵將第一個長周期波導光柵(I)的芯層(7)中的部分信號光耦合到包層中，以包層模的形式進行傳輸，即第一個長周期波導光柵(I)實現了馬赫曾德干涉儀中光分束器的作用，光分束比大小由第一個長周期波導光柵(I)中的光柵凸起高度(13)進行控制；被分束后的光傳輸到錐型波導(2);錐型波導(2)的過渡區(qū)逐漸變細時，錐型波導(2 )的芯層(8 )不足以將光束縛在里面?zhèn)鬏?，越來越多的光進入錐型波導(2)的包層中傳輸，包層中光的能量增加，包層模在外界中的漸逝波場也增加，光的傳輸特性會因外界因素一折射率，溫度，應變，間接或直接地得發(fā)生變化；錐型波導(2)的芯層(9)逐漸變粗時，光由錐型波導(2)的包層重新耦合回到錐型波導(2)的芯層(9)，信號光經過錐型波導(2)提高了傳感的靈敏度；當信號光分別傳輸至第二個長周期波導光柵(3)中芯層(10)和包層時，芯層(10)和包層中的光通過第二個長周期光柵(3)相互耦合發(fā)生干涉，第二個長周期波導光柵(3)起到了馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用；可利用光譜分析儀測試干涉信號透射譜的變化進行傳感。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種錐型波導輔助的級聯(lián)長周期波導光柵傳感器及其制備方法，本傳感器由第一個長周期波導光柵經過錐型波導連接第二個長周期波導光柵組成。該傳感器結合了級聯(lián)長周期波導光柵的馬赫曾德效應和錐型波導的強漸逝場致高靈敏度特性，具有靈敏度高和響應快的優(yōu)良特性。該傳感器采用簡單成熟的紫外光刻法和反應離子刻蝕法的制作工藝。相比于長周期光纖光柵和光纖熔錐的復合器件，該發(fā)明具有結構簡單、靈敏度高、制作工藝簡便等優(yōu)點，在光波導傳感器件領域中具有廣闊的應用前景。
文檔編號G02B6/124GK102721431SQ20121021638
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2012年6月28日
發(fā)明者劉云啟, 龐拂飛, 張小貝, 朱姍, 李迎春, 王廷云 申請人:上海大學