CN1818727A - 一种用于集成光学传感的复合结构光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种用于集成光学传感的复合结构光波导。光波导为四层结构，包括预先形成的条形光波导的下包层和芯层，位于芯层上方的传感膜，以及位于传感膜上方的含有待测物质的介质。传感膜的折射率等于或高于预先形成的条形芯层的折射率，位于传感膜上方的含有待测物质的介质的折射率小于传感膜的折射率；预先形成的条形光波导的下包层的折射率小于芯层的折射率；构成“倒脊型”的复合光波导。在这种复合结构光波导中传播的光导波能量大部分分布在传感膜中，增强了光导波与待测物质的相互作用，提高了传感器的敏感程度，并具有较大的工艺容差。
Description
技术领域
本发明涉及一种的玻璃光波导的制作方法，属于光传感、集成光学领域。
背景技术
基于光学原理的传感器，包括光纤传感器和集成光学传感器，近年来成为许多研究者关注的焦点之一，原因在于这类传感具有以下独特的优势：
·抗电磁干扰；
·耐化学腐蚀；
·电绝缘性好；
·低噪声，高灵敏度；
·便于复用，便于成网，有利于用现有光通信技术组成遥测传感网络；
·可实现同时对多种不同物质的分析；
·适合于易燃易爆环境下的传感；
·成本低，适合于大规模生产和应用。
光学传感器的研究已经有几十年的历史，但直到上世纪90年代初期，只有少数光纤传感器在市场上出现。其原因主要是技术不成熟，可靠性不高。另外，由于早期的光纤传感器是小批量生产，相对产品价格较高。上世纪90年代，更多的光纤传感器在不断地商业化，比如压力应力传感器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。目前世界上已有五百多家企业生产各类光纤传感器。
与基于同样原理的光纤传感器相比，集成光学传感器具有更高的灵敏度，更易实现小型化和阵列化，更易于批量化生产并因此具有更低的制作成本，而且，在某些方面，集成光学传感器具有光纤传感器不可比拟的优势，比如基于干涉原理的传感器的制作。
基于倏逝波传感原理的传感器是一类重要的集成光学传感器。这种传感器的光波导结构如图1所示，其工作原理是利用在预先制作的光波导的下包层1和芯层2上制作一层传感膜3，传感膜的折射率低于光波导芯层的折射率，作为光波导的上包层。传感膜与含有待测物质的介质4相接触，利用传感膜3吸附介质4中的待测物质产生的折射率变化、对倏逝波的吸收、以及倏逝波激发待测物质的荧光效应等，对待测物质进行定性和定量的测试。折射率分布曲线5表示了这种倏逝波传感器的光波导结构特征，由于传感膜3的折射率低于光波导芯层2的折射率，光导波的能量大部分分布在光波导的芯层2，如图1所示，图中6是光导波基模模场分布的等强度线。换句话说就是光导波与传感膜3的相互作用较弱，使传感器的敏感程度很低。另一方面，传感器的敏感程度受传感膜3折射率的影响很大，使传感器制作的工艺容差很小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于集成光学传感的复合结构光波导，这种结构增强了光导波与待测物质的相互作用，提高了传感器的敏感程度。
本发明所采用的技术方案是：光波导为四层结构，包括预先形成的条形光波导的下包层和芯层，位于芯层上方的传感膜，以及位于传感膜上方的含有待测物质的介质。传感膜的折射率等于或高于预先形成的条形芯层的折射率，位于传感膜上方的含有待测物质的介质的折射率小于传感膜的折射率；预先形成的条形光波导的下包层的折射率小于芯层的折射率；构成“倒脊型”的复合光波导。
本发明具有的有益效果是：不同于通常的倏逝波传感结构，本发明集成光学传感结构中传感膜的折射率等于或高于预先形成的光波导芯层的折射率，在这种复合结构光波导中传播的光导波能量大部分分布在传感膜中，增强了光导波与待测物质的相互作用，提高了传感器的敏感程度；另一方面，使用这种光波导的传感器的敏感程度受传感膜折射率的影响较小，具有较大的工艺容差。
附图说明
图1是基于倏逝波传感原理的集成光波导结构示意图。
图2是本发明所提出的用于集成传感的光波导结构示意图。
图3是平板型传感膜的集成传感的光波导结构示意图。
图4是沿光传播方向端头带有楔形区的传感膜结构示意图。
图5是沿光传播方向端头带有锥形区的传感膜结构示意图。
图中：1、是预先形成的光波导的下包层，2、是预先形成的光波导的芯层，3、是传感膜，4、含有待测物质的介质，5基于倏逝波传感原理的光波导折射率分布曲线，6、基于倏逝波传感原理的光波导基模模场分布的等强度线，7、本发明涉及的复合光波导折射率分布曲线，8、本发明涉及的复合光波导基模模场分布的等强度线，9、楔形区，10、锥形区。
具体实施方式
如图2所示，本发明的光波导为四层结构，包括预先形成的条形光波导的下包层1和芯层2，位于芯层2上方的传感膜3，以及位于传感膜3上方的含有待测物质的介质4；传感膜3的折射率等于或高于预先形成的条形芯层2的折射率，位于传感膜3上方的含有待测物质的介质4的折射率小于传感膜3的折射率；预先形成的条形光波导的下包层1的折射率小于芯层2的折射率；构成“倒脊型”的复合光波导。
由于复合光波导的结构具有上述特性，如图2中折射率分布曲线7，传感膜3折射率高于或等于预先形成的光波导芯层2折射率，复合光波导中传感膜3与预先形成的光波导芯层2构成“倒脊型”复合光波导的芯层。在这种光波导中传输的光导波的能量大部分分布在传感膜中，如图2中复合光波导基模模场分布的等强度线8所示。这种分布特征增强了光导波与传感膜中待测物质的相互作用，使传感器的敏感程度大大提高。同时，敏感膜折射率在小范围内的变化不会对复合光波导的敏感程度带来明显变化，使传感器的制作具有更大的工艺容差。
如图3所示，所述的传感膜3的形状为平板形；如图4所示，所述的传感膜3沿光传播方向带有楔形区9；如图5所示，所述的传感膜沿光传播方向3带有10。
所述的光波导的下包层1和光波导的芯层2的材料为二氧化硅、玻璃、聚合物或铌酸锂。
所述的传感膜3为有机物薄膜、无机物薄膜或有机和无机复合薄膜。
所述的预先形成的条形光波导是单模光波导或多模光波导。
所述的复合光波导是单模光波导或多模光波导。
所述的传感膜3厚度在10纳米到1毫米之间。
本发明所述的玻璃光波导制作方法可以通过多种方式实施，下面一离子交换玻璃基与聚合物的复合结构为例说明。
复合结构光波导的主要制作步骤：
(1)玻璃基片上离子交换光波导的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜；
·采用熔盐离子交换工艺制作条形光波导；
·对光波导的退火处理
(2)玻璃基片上传感膜的制备
采用具有光敏性的聚合物作传感膜，采用微细加工工艺获得所需的形状和尺寸。
Claims (7)
1.一种用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：光波导为四层结构，包括预先形成的条形光波导的下包层(1)和芯层(2)，位于芯层(2)上方的传感膜(3)，以及位于传感膜(3)上方的含有待测物质的介质(4)；传感膜(3)的折射率等于或高于预先形成的条形芯层(2)的折射率，位于传感膜(3)上方的含有待测物质的介质(4)的折射率小于传感膜(3)的折射率；预先形成的条形光波导的下包层(1)的折射率小于芯层(2)的折射率；构成“倒脊型”的复合光波导。
2.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的传感膜(3)的形状为平板形、沿光传播方向两端头带有楔形区(9)或沿光传播方向两端头带有锥形区(10)。
3.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的光波导的下包层(1)和光波导的芯层(2)的材料为二氧化硅、玻璃、聚合物或铌酸锂。
4.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的传感膜(3)为有机物薄膜、无机物薄膜或有机和无机复合薄膜。
5.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的预先形成的条形光波导是单模光波导或多模光波导。
6.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的复合光波导是单模光波导或多模光波导。
7.根据权利要求1所述的用于集成光学传感的复合结构光波导，其特征在于：所述的传感膜(3)厚度在10纳米到1毫米之间。
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