CN103048003A - 基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器及其制备方法 - Google Patents

基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器及其制备方法 Download PDF

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张小贝
李迎春
戴骏
陈黄超
申云
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Abstract

本发明提出了一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器及其制备方法，本传感器由一个U型波导和三个微环谐振器组成。该传感器结合了高阶微环谐振器的高灵敏度特性和U型波导导致的马赫曾德干涉效应，具有灵敏度高和响应快的优良特性。而且该器件的输入端和输出端在同一侧，更有利于进行传感检测，便于与其他器件的集成。相比于其他光学传感器件，该发明具有低成本、结构紧凑、灵敏度高、制作工艺简便等优点，在光传感器件领域中具有广阔的应用前景。

Description

基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器及其制备方法，属于光学传感器件领域。
背景技术
光学传感器是一种具有广阔前景的传感器件，被广泛应用于生物医学、环境监测和环境检测等领域。随着对传感器低成本、高灵敏度、结构紧凑等需求的增加，人们根据不同的结构和光学原理提出了各式各样的新型光学传感器，例如长周期光纤光栅传感器，多包层光纤传感器、微环谐振器、马赫曾德干涉仪等。其中微环谐振器由于具有的体积小、高灵敏度、高集成，制备简单等优良特性，近年来受到越来越多的关注。随着制作工艺水平的提高，人们设计和制造出越来越多的基于微环谐振器与其他光学器件集成的传感器。其中马赫曾德干涉仪和微环耦合成的各类集成器件不仅在光延迟线和非线性光转换器方面具有巨大的潜力，而且具有很好的传感特性，受到越来越的关注。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷结合上述微环谐振器的高灵敏度和马赫曾德干涉仪的干涉效应，提供一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器，它是一种改进的马赫曾德干涉仪，但是其输入端和输出端在同一侧，不同于一般马赫曾德干涉仪的两侧耦合结构，更便于进行传感检测，如可以直接把本器件放置在被测液体样本中进行检测。而且输入端和输出端在同一侧便于与其他器件的集成，提高了该器件的集成度。而且微环阵列具有高灵敏度特性，进一步提高了该器件的传感灵敏度，这将在传感领域有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的构思和工作原理如下：
本发明提出了一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器，它结合了微环阵列的高灵敏度特性和U型波导导致的马赫曾德干涉效应，可采用紫外光刻法技术制备，通过输出端谐振波长的移动量来测试其传感特性。
本发明的基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器，它主要包括一个U型波导和三个微环谐振器 ，其中U型波导的两端包含一个输入端波导和输出端波导。为了降低反射，输入端波导和输出端波导的端面进行抛光和镀膜。
上述的三个微环谐振器并排制作在硅基二氧化硅基底上，形成微环阵列，该微环阵列内嵌在U型波导内，其U型波导的输入端波导与微环阵列的输入端，输出端波导与微环阵列的输出端间隔相同，光由输入端耦合到微环，再由微环耦合出波导。
本发明的基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器的制备方法：基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器是由聚合物光刻胶通过紫外光刻法刻蚀而成，采用紫外光光刻技术在硅基二氧化硅基底将基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌微环图形转移到光刻胶上，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，在硅基二氧化硅基底刻蚀出微环阵列，内嵌于U型波导之间，位于输入波导和输出波导之间，形成基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器。
工作原理
光从输入端波导的一端进入波导，当满足下面条件时，光发生谐振，从波导耦合进入微环：
Figure 781105DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 2012105465932100002DEST_PATH_IMAGE002
为波导的有效折射率，表示微环的周长，
Figure 2012105465932100002DEST_PATH_IMAGE004
表示耦合阶数，表示耦合波长。在微环中特定波长光满足微环与微环之间谐振的条件，则耦合进入相邻的微环，光依次在微环阵列中进行传输，在靠近波导的微环中光到达微环与波导之间的耦合区时，被耦合到输出端波导中。
一部分进入输入端波导的光，如上面所述耦合进微环传输，剩余的光则继续在U型波导中进行传输。U型波导传输的光与微环矩阵耦合到输出端波导中的光发生干涉，产生马赫曾德干涉效应，U型波导和微环阵列相当于马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，输入端波导和微环构成的耦合区实现马赫曾德干涉仪中的光中光分束器的作用，微环和输出端波导构成的耦合区起到马赫曾德干涉仪中光合波器的作用。
其中发生马赫曾德干涉效应产生的谐振波长
Figure 2012105465932100002DEST_PATH_IMAGE006
满足公式
Figure 733515DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 2012105465932100002DEST_PATH_IMAGE008
表示干涉阶数，
Figure 163359DEST_PATH_IMAGE002
为马赫曾德干涉仪两个臂的有效折射率，
Figure 218034DEST_PATH_IMAGE003
表示两个路径的路程差，即两个干涉臂的长度差，
Figure 493157DEST_PATH_IMAGE009
为一个小数，控制 波导与微环的耦合系数。当把待测物质置于基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器中时，
Figure 2012105465932100002DEST_PATH_IMAGE010
发生改变，引起输出端谐振波长的移动，通过其移动量来测试其传感特性。
上述的基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器的微环数目必须为奇数，因为数目为偶数时，微环中传输的顺时针模式和逆时针模式之间的耦合在输入端造成反射，影响输入端波导的光传输。实验仿真表明随着微环的数目增加，该传感器的灵敏度越高，相应的结构也变得越来越复杂。权衡两者之间的关系，微环的数目选定为3，即微环阶数为3.
根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：
    一种基于马赫增德尔干涉仪耦合的内嵌微环传感器，包括一个U型波导和三个微环谐振器 ， 其特征在于所述的三个微环谐振器内嵌于U型波导内，介于输入端波导和输出端波导之间，所述微环谐振器和U型波导两者的折射率相同；信号光通过光纤耦合到输入端波导，在U型波导和微环谐振器构成的耦合区分成两个传播路径，一部分信号光由耦合区被耦合到微环1中，在微环阵列中进行传输，另有部分信号光继续在U型波导直接进行传输；在微环中传输的信号光到达输出端波导和微环3构成的耦合区被耦合进传输端波导，与在U型波导传输的信号光发生干涉，产生马赫曾德干涉效应，U型波导和串联微环相当于马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，输入端波导和微环1构成的耦合区实现马赫曾德干涉仪中的光分束器的作用，微环3和输出端波导构成的耦合区起到马赫曾德干涉仪中光合波器的作用，然后利用光学仪器测量谐振波长的移动进行各种类型的传感。
    所述输入端波导和输出端波导实行抛光和镀膜。
    一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌微环传感器的制备方法，其特征在于利用等离子化学气相沉积在基底硅片上沉积一层二氧化硅作为光波导的下包层，从而形成硅基二氧化硅基底；用旋涂法将光刻胶均匀涂覆在硅基二氧化硅表面，将样品在95℃
Figure 136628DEST_PATH_IMAGE011
5℃前烘3-5分钟，然后用特制的掩膜板对样品利用紫外光进行紫外曝光，将器件整体图样转移到光刻胶上；将上述样品放在烘箱进行固化，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，在硅基二氧化硅基底刻蚀出串联微环阵列，内嵌于U型波导之间，位于输入波导和输出波导之间；为了减少入射光的散射，对输入端波导（3）和输出端波导（9）切片，然后进行端面抛光，最后镀膜。
    本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
1）结合了马赫曾德干涉仪和微环谐振器二者的优良特性，可实现小尺寸、快响应速度和高灵敏度的微量检测；
2）由于利用波导与微环之间的耦合作为光分束器和合波器，不需要独立的体分光器和体合波器，而且该器件的输入端和输出端在同一侧，结构紧凑，易于与现有的光学器件集成。
3）该传感器件具有全波导结构，可以采用采用紫外光刻法的制作工艺，具有低成本、工艺简便等优点。
4）该器件的输入端和输出端在同一侧，便于传感测试，如可以直接把本器件放置在被测液体样本中进行检测。
附图说明
图1是本发明中U型波导结构和微环谐振器的阵列结构耦合示意图
图2是本发明中U型波导结构和微环谐振器的阵列结构耦合的平面图
图3是本发明中制备工艺流程图（其中图（1）为形成二氧化硅基底，图（2）为旋涂光刻胶，图（3）为紫外曝光，图（4）为固化显影。
具体实施方式
本发明的优选实施案例结合附图说明如下：
实施例一：
本基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器，参见图1立体图和图2俯视图，它主要包括一个U型波导（1）和三个微环谐振器（2），其中两个部分的折射率相同。
上述的U型波导包括输入端波导（3）和输出端波导（9），参看图1立体图，为了降低反射，输入端波导和输出端波导的端面（10）（11）进行抛光和镀膜。
上述的三个微环谐振器并排制作在硅基二氧化硅基底片（7）（8）上，形成微环阵列（2），该微环阵列内嵌在U型波导（1）内，其U型波导（1）的输入端波导（3）与微环1（6），输出端波导（9）与微环3（4）间隔相同，有利于更多的光由输入端入射到微环，再由微环耦合出波导。
实施例二：
上述传感器的制备方法是：上述基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器是由聚合物光刻胶通过紫外光刻法刻蚀而成，首先采用紫外光光刻技术在硅基二氧化硅基底将基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌微环图形转移到光刻胶上，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，在硅基二氧化硅基底刻蚀出微环阵列，内嵌于U型波导之间，位于输入波导和输出波导之间，形成基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌高阶微环传感器。参看图3制备工艺流程，其具体工艺过程及工艺步骤如下：
1)   利用等离子化学气相沉积在基底硅片（12）上沉积一层二氧化硅（13）作为光波导的下包层，从而形成硅基二氧化硅基底；
2)   用旋涂法将光刻胶（14）均匀涂覆在硅基二氧化硅表面，将样品在95℃前烘3-5分钟，然后用特制的掩膜板（15）对样品利用紫外光（16）进行紫外曝光，将器件整体图样转移到光刻胶上；
3)   将上述样品放在烘箱进行固化，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，在硅基二氧化硅基底刻蚀出微环阵列，内嵌于U型波导之间，位于输入波导和输出波导之间；
4)   对输入端波导和输出端波导切片，然后进行端面（10）、（11）抛光，最后镀膜。
5)   参看图1和图2，信号光通过光纤耦合到输入端波导（3），在波导和微环构成的耦合区分成两个传播路径，一部分信号光由耦合区被耦合到微环（6）中，在微环阵列（2）中进行传输，剩下的信号光继续在U型波导（1）直接进行传输。在微环中传输的信号光到达输出端波导（9）和微环（6）构成的耦合区被耦合进传输端波导，与在U型波导传输的信号光发生干涉，产生马赫曾德干涉效应，U型波导（1）和微环阵列（2）相当于马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，输入端波导（3）和微环（6）构成的耦合区实现马赫曾德干涉仪中的光中光分束器的作用，微环（4）和输出端（9）波导构成的耦合区起到马赫曾德干涉仪中光合波器的作用，然后利用光学仪器测量谐振波长的移动进行各种类型的传感。

Claims (3)

1.一种基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌微环传感器，包括一个U型波导（1）和三个微环谐振器 （2），其特征在于所述的三个微环谐振器（2）内嵌于U型波导内，介于输入端波导（3）和输出端波导（9）之间，所述微环谐振器（2）和U型波导（1）两者的折射率相同；信号光通过光纤耦合到输入端波导（3），在U型波导（1）和微环谐振器（2）构成的耦合区分成两个传播路径，一部分信号光由耦合区被耦合到微环1（6）中，在微环阵列中进行传输，另有部分信号光继续在U型波导（1）直接进行传输；在微环中传输的信号光到达输出端波导（9）和微环3（4）构成的耦合区被耦合进传输端波导，与在U型波导传输的信号光发生干涉，产生马赫曾德干涉效应，U型波导（1）和串联微环（2）相当于马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，输入端波导（3）和微环1（6）构成的耦合区实现马赫曾德干涉仪中的光分束器的作用，微环3（4）和输出端波导（9）构成的耦合区起到马赫曾德干涉仪中光合波器的作用，然后利用光学仪器测量谐振波长的移动进行各种类型的传感。
2.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔干涉仪耦合的内嵌微环传感器，其特征在于所述输入端波导（3）和输出端波导（9）实行抛光和镀膜。
3.一种根据权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪耦合的内嵌微环传感器的制备方法，其具体工艺过程及工艺步骤如下：                                                                                
1)      利用等离子化学气相沉积在基底硅片（12）上沉积一层二氧化硅（13）作为光波导的下包层，从而形成硅基二氧化硅基底；
2)      用旋涂法将光刻胶（14）均匀涂覆在硅基二氧化硅表面，将样品在95℃                                               
Figure 2012105465932100001DEST_PATH_IMAGE002
5℃前烘3-5分钟，然后用特制的掩膜板（15）对样品利用紫外光（16）进行紫外曝光，将器件整体图样转移到光刻胶上；
3)      将上述样品放在烘箱进行固化，然后将其放在显影液中显影，去除掉未曝光的区域，在硅基二氧化硅基底刻蚀出串联微环阵列，内嵌于U型波导之间，位于输入波导和输出波导之间；
4)    为了减少入射光的散射，对输入端波导（3）和输出端波导（9）切片，然后进行端面抛光，最后镀膜。
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