[發明專利]基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器及其制備方法

無效

• 申請號: 201210546593.2
• 申請日: 2012-12-17
• 公開（公告）號: CN103048003A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 張小貝;李迎春;戴駿;陳黃超;申云
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01N21/45
• 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

本發明涉及一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器及其制備方法，屬于光學傳感器件領域。

背景技術

光學傳感器是一種具有廣闊前景的傳感器件，被廣泛應用于生物醫學、環境監測和環境檢測等領域。隨著對傳感器低成本、高靈敏度、結構緊湊等需求的增加，人們根據不同的結構和光學原理提出了各式各樣的新型光學傳感器，例如長周期光纖光柵傳感器，多包層光纖傳感器、微環諧振器、馬赫曾德干涉儀等。其中微環諧振器由于具有的體積小、高靈敏度、高集成，制備簡單等優良特性，近年來受到越來越多的關注。隨著制作工藝水平的提高，人們設計和制造出越來越多的基于微環諧振器與其他光學器件集成的傳感器。其中馬赫曾德干涉儀和微環耦合成的各類集成器件不僅在光延遲線和非線性光轉換器方面具有巨大的潛力，而且具有很好的傳感特性，受到越來越的關注。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷結合上述微環諧振器的高靈敏度和馬赫曾德干涉儀的干涉效應，提供一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器，它是一種改進的馬赫曾德干涉儀，但是其輸入端和輸出端在同一側，不同于一般馬赫曾德干涉儀的兩側耦合結構，更便于進行傳感檢測，如可以直接把本器件放置在被測液體樣本中進行檢測。而且輸入端和輸出端在同一側便于與其他器件的集成，提高了該器件的集成度。而且微環陣列具有高靈敏度特性，進一步提高了該器件的傳感靈敏度，這將在傳感領域有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明采用的構思和工作原理如下：

本發明提出了一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器，它結合了微環陣列的高靈敏度特性和U型波導導致的馬赫曾德干涉效應，可采用紫外光刻法技術制備，通過輸出端諧振波長的移動量來測試其傳感特性。

本發明的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器，它主要包括一個U型波導和三個微環諧振器?，其中U型波導的兩端包含一個輸入端波導和輸出端波導。為了降低反射，輸入端波導和輸出端波導的端面進行拋光和鍍膜。

上述的三個微環諧振器并排制作在硅基二氧化硅基底上，形成微環陣列，該微環陣列內嵌在U型波導內，其U型波導的輸入端波導與微環陣列的輸入端，輸出端波導與微環陣列的輸出端間隔相同，光由輸入端耦合到微環，再由微環耦合出波導。

本發明的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器的制備方法：基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器是由聚合物光刻膠通過紫外光刻法刻蝕而成，采用紫外光光刻技術在硅基二氧化硅基底將基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌微環圖形轉移到光刻膠上，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區域，在硅基二氧化硅基底刻蝕出微環陣列，內嵌于U型波導之間，位于輸入波導和輸出波導之間，形成基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器。

工作原理

光從輸入端波導的一端進入波導，當滿足下面條件時，光發生諧振，從波導耦合進入微環：

其中為波導的有效折射率，表示微環的周長，表示耦合階數，表示耦合波長。在微環中特定波長光滿足微環與微環之間諧振的條件，則耦合進入相鄰的微環，光依次在微環陣列中進行傳輸，在靠近波導的微環中光到達微環與波導之間的耦合區時，被耦合到輸出端波導中。

一部分進入輸入端波導的光，如上面所述耦合進微環傳輸，剩余的光則繼續在U型波導中進行傳輸。U型波導傳輸的光與微環矩陣耦合到輸出端波導中的光發生干涉，產生馬赫曾德干涉效應，U型波導和微環陣列相當于馬赫曾德干涉儀的兩個干涉臂，輸入端波導和微環構成的耦合區實現馬赫曾德干涉儀中的光中光分束器的作用，微環和輸出端波導構成的耦合區起到馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用。

其中發生馬赫曾德干涉效應產生的諧振波長滿足公式，其中表示干涉階數，為馬赫曾德干涉儀兩個臂的有效折射率，表示兩個路徑的路程差，即兩個干涉臂的長度差，為一個小數，控制?波導與微環的耦合系數。當把待測物質置于基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器中時，發生改變，引起輸出端諧振波長的移動，通過其移動量來測試其傳感特性。

上述的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內嵌高階微環傳感器的微環數目必須為奇數，因為數目為偶數時，微環中傳輸的順時針模式和逆時針模式之間的耦合在輸入端造成反射，影響輸入端波導的光傳輸。實驗仿真表明隨著微環的數目增加，該傳感器的靈敏度越高，相應的結構也變得越來越復雜。權衡兩者之間的關系，微環的數目選定為3，即微環階數為3.

根據上述發明構思和工作原理，本發明采用下述技術方案：