[發明專利]錐型波導輔助的級聯長周期波導光柵傳感器及其制備方法

無效

• 申請號: 201210216381.8
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102721431A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 張小貝;李迎春;朱姍;龐拂飛;劉云啟;王廷云
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G02B6/124;G02B6/13
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種錐型波導輔助的級聯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、化學性質穩定、不存在反射等優異的性能，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。

發明內容

本發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，本發明采用的構思如下：

本發明提出了一種錐型波導輔助的級聯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，本發明采用下述技術方案：

一種錐型波導輔助的級聯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長周期光柵，其特征在于所述基于錐型波導輔助的級聯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波導刻蝕成基于錐型波導輔助的級聯長周期波導光柵，該器件結合了級聯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????????????????????????????????????????????????。其中是芯層模和包層模的有效折射率差，L是第一個長周期光柵和第二個長周期光柵的中心間距，λ是入射光的波長。當相位差為的整數倍數時，干涉條紋出現加強。對于緊湊型的傳感器來說，L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，這部分信號光與環境相互作用，感知周圍環境的傳感參量變化，靈敏度極高。

本發明是基于級聯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，通過監測其透射光譜的變化來感知環境的傳感參量變化，具有靈敏度高和響應快的優良特性。同時該發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、溫度穩定性好、工藝簡便等優點，在微型化和高靈敏度的傳感領域中具有廣闊的應用前景。

本發明與現有技術相比較，具有如下突出實質性特點和顯著優點：