專利名稱：一種基于狹縫波導(dǎo)的光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于納米級(jí)雙狹縫波導(dǎo)，將光 場(chǎng)限制在狹縫中并其分布隨狹縫寬度變化而變化，從而根據(jù)狹縫中光場(chǎng)分布的 變化而檢測(cè)外部物理量變化的光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
于2004年被首次提出的狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在納米級(jí)尺寸的低折射率材 料構(gòu)成的特殊光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光的限制和傳輸[1]。由于該類光波導(dǎo)可以突破傳統(tǒng) 光波導(dǎo)尺寸的限制，因此在納米光子學(xué)具有^f艮大的應(yīng)用前景，受到了廣泛的關(guān) 注。
傳統(tǒng)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中以高折射率材料作為波導(dǎo)芯，以低折射率材料作為被覆 層，而光場(chǎng)主要集中在高折射率材料構(gòu)成的波導(dǎo)芯中。而在狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中， 波導(dǎo)的芯結(jié)構(gòu)由納米寬度的高折射率材料和低折射率材料共同構(gòu)成，而光場(chǎng)可 以被主要限制在其中的低折射率材料中。
單狹縫波導(dǎo)俯視示意圖如圖l所示。圖1中的狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平板(2, 4)和一個(gè)狹縫3組成，平板材料具有高折射率nH,狹縫材料具有相對(duì)低的折射率 ns。低折射率狹縫夾在兩個(gè)高折射率平板之間，其厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)， 一般 在幾納米到幾十納米左右。被覆層(l, 5)由低折射率材料組成，其折射率應(yīng)明 顯低于平板材料的折射率，也可與狹縫材料的折射率相同。
上述波導(dǎo)模式可支持TM模式的傳輸，二維結(jié)構(gòu)近似下，單狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 TI^莫式的電場(chǎng)x分量的解析解為m:

4cosh ( )cos[ATw — a)] + 卩'sinh [a^ - a)];" < |x| < 6
"http:// "、- &
cosh( )cos[/t^ (6-a)] + "^^1 sinh( )sin[/^ (6_a)]卜xp(|x|-6)];|x| " L J (1)
上式中，^是高折射率平板中的波數(shù)，^是低折射率狹縫中的衰減系數(shù)，幾
是被覆層中的衰減系數(shù)，nc是覆蓋層的折射率，h為狹縫的寬度，b-a是平板的寬度。
常量A為
<formula>formula see original document page 3</formula> (2)
其中；4是一個(gè)任意常數(shù)， ^是光波在真空中的波數(shù)
該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的工作原理是利用了在不同介電常數(shù)材料界面上電場(chǎng)矢量的垂 直分量不連續(xù)，且其大小與材料介電系數(shù)的平方成反比。因此利用上述電場(chǎng)分 布的不連續(xù)性，低折射率材料中的光場(chǎng)分布將大大高于其旁邊的高折射率平板 種德電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)將光限制在低折射率材料中傳輸?shù)淖饔?。在這種情況下， 兩種材料折射率的對(duì)比度越大，電場(chǎng)就越不連續(xù)，導(dǎo)致低折射率部分的電場(chǎng)強(qiáng)
度越強(qiáng)。場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2所示，可以看出大部分的光被限制在低折射率波導(dǎo)層中。
為了定量描述狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)限制的效果，定義光場(chǎng)強(qiáng)度限制因子
(r)為[2':
其中，f和A是電場(chǎng)和^磁場(chǎng)矢量，分別在要計(jì)算的區(qū)域(即低折射率狹縫) 和整個(gè)橫截面區(qū)域中計(jì)算積分。
作為光波導(dǎo)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，近年來(lái)，在上述基本狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)得到了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 基于硅基的低折射率狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已被實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]。通過(guò)對(duì)狹縫 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如采用不對(duì)稱狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化狹縫和平板的幾何結(jié)構(gòu) 和尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光功率的更好限制"'5'6'。除了單狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以外，還提 出和研究了多狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[2]。除了簡(jiǎn)單的直波導(dǎo)形式外，基于狹縫波導(dǎo)的光 調(diào)制器、振蕩器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到實(shí)現(xiàn)[7'8]。在實(shí)現(xiàn)狹縫波導(dǎo)的材 料方面，除了介電材料外，金屬也能夠被用來(lái)與介電材料共同構(gòu)成狹縫波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)'91。狹縫波導(dǎo)與普通波導(dǎo)的聯(lián)接與耦合也已在理論上得到證明，并在實(shí)驗(yàn)中 得到驗(yàn)證""'111。除了作為光波導(dǎo)以外，由于狹縫波導(dǎo)的特殊幾何結(jié)構(gòu)和極小的 幾何尺寸，使得其光傳輸特性可以根據(jù)該結(jié)構(gòu)中的微小變化而發(fā)生變化，因此 可能被應(yīng)用在光傳感領(lǐng)域中。采用光學(xué)微機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的、利用單狹縫波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)和環(huán)形諧振腔原理的光學(xué)壓力傳感器已被實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[12]。通過(guò)檢測(cè)狹縫結(jié)構(gòu)導(dǎo) 光特性與狹縫材料折射率之間的關(guān)系，還可以實(shí)現(xiàn)基于狹縫波導(dǎo)的折射率傳感
塑[131 為 。
本發(fā)明專利提出了將多狹縫波導(dǎo)用于傳感器這一概念，利用多狹縫波導(dǎo)中 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化對(duì)不同狹縫中光場(chǎng)分布的影響，設(shè)計(jì)了 一種基于雙狹縫結(jié)構(gòu)的光 學(xué)傳感器，可以測(cè)量狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中納米量級(jí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變，從而實(shí)現(xiàn)具有納 米精度的光學(xué)傳感器，該傳感器可以被應(yīng)用于位移、壓力、溫度等物理量的高 精度測(cè)量。
圖3是本發(fā)明涉及的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)的俯視示意圖，整個(gè)光傳感器包括一個(gè)

發(fā)明內(nèi)容
輸入光波導(dǎo)9和一個(gè)可動(dòng)雙狹縫波導(dǎo)。
輸入光波導(dǎo)9的作用是將光耦合進(jìn)雙狹縫波導(dǎo)。輸入光波導(dǎo)可采用脊?fàn)畈▽?dǎo) 等傳統(tǒng)光波導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)。輸入光波導(dǎo)可以與雙狹縫波導(dǎo)采用直接耦合方式進(jìn)行 耦合。該波導(dǎo)的模場(chǎng)尺寸應(yīng)與雙狹縫波導(dǎo)的尺寸相近。
雙狹縫結(jié)構(gòu)的作用是將光場(chǎng)限制在兩個(gè)同向傳輸?shù)牡驼凵渎湿M縫中，兩狹 縫中的光場(chǎng)分布可以受到狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸變化的影響。該狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括
三個(gè)平板(2， 4, 6)、兩個(gè)狹縫(3， 5)和被覆層(1, 7)。其中，平板(2, 4,
6) 的材料為高折射率材料，狹縫(3, 5)的材料為低折射率材料，被覆層(1，
7) 的材料為低折射率材料(其材料可以與狹縫材料相同或不同)。平板和狹縫 的材料折射率的比例應(yīng)不小于l. 6。其中，平板(2， 4， 6)的材料為不可壓縮 材料，狹縫(3， 5)的材料為可壓縮或可流動(dòng)材料。平板材料可以采用硅、高 折射率玻璃、光學(xué)晶體等實(shí)現(xiàn)。狹縫材料可以采用氣體、液體等實(shí)現(xiàn)。
平板(2, 4， 6)在導(dǎo)光區(qū)域范圍內(nèi)的橫截面形狀可以矩形、梯形或其他相 似形狀，狹縫(3， 5 )的橫截面形狀由相鄰平板的形狀決定。平板(2， 4, 6) 截面高度相同。
平板2和平板6間的間距固定不變，而平板4在輸入端一側(cè)的位置固定，而在 輸出端一側(cè)與平板2或平板6的間距可變。平板2與平板4的間距決定了狹縫3的寬 度，平板4與平板6的間距決定了狹縫5的寬度，因此當(dāng)平板4與平板2的間距減少 時(shí)，狹縫3的寬度減小，狹縫5的寬度增加，但兩者之和不變。平板2和平板6的 寬度一般遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)，在幾十至幾百納米之間。平板4的寬度一般遠(yuǎn)小于光波 長(zhǎng)，在幾十納米左右。狹縫3和狹縫5的寬度一般遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)，其寬度之和在 幾十至一百納米左右。
觸點(diǎn)8位于平板4的輸出端一側(cè)，其作用是使外部作用力可以施加于平板4 上，使其發(fā)生微小形變彎曲，從而使平板4與平板2的間距在靠近輸出端一側(cè)發(fā) 生改變。觸點(diǎn)8可以采用與平板4相同的材料，可以位于平板4結(jié)構(gòu)的上方，并高 于平板2和平板6。
本專利涉及的傳感器的工作原理是輸入光首先通過(guò)輸入波導(dǎo)9耦合進(jìn)可動(dòng) 雙狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。當(dāng)光進(jìn)入到雙狹縫波導(dǎo)中后，如圖3所示，當(dāng)外部作用力通 過(guò)觸點(diǎn)8施加到平板4時(shí)，平板4將產(chǎn)生形變，使得在雙狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不同傳播 距離上的狹縫寬度逐漸發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其中一個(gè)狹縫寬度的增加而另一個(gè) 狹縫的寬度減少。由此，耦合進(jìn)雙狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)分布將逐漸發(fā)生改變， 寬度大的狹縫中的傳輸?shù)墓夤β蕦⒆兇螅鴮挾刃〉莫M縫中的傳輸?shù)墓夤β蕦?變小，最終輸出的光強(qiáng)分布由輸出端一側(cè)的狹縫寬度決定。這樣通過(guò)檢測(cè)輸出 端兩個(gè)狹縫中光功率的大小變化可得到平板4輸出端一側(cè)形變的大小，從而獲得 外部作用力信息，實(shí)現(xiàn)傳感功能。
本發(fā)明所涉及的光學(xué)傳感器通過(guò)測(cè)量傳感器輸出端狹縫結(jié)構(gòu)中光功率分布 及其變化，可獲得狹縫寬度的準(zhǔn)確信息，從而可以作為光學(xué)納米級(jí)位移傳感器。 在其基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以通過(guò)將溫度、加速度和壓力等物理量轉(zhuǎn)化為外部作
用力，進(jìn)而檢測(cè)其變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1 )本發(fā)明所涉及的光學(xué)傳感器的狹縫寬度在納米級(jí)，能探測(cè)出納米級(jí)大 小的間距變化，因此精確度很高，適于高精度測(cè)量。
(2 )本發(fā)明所涉及的光學(xué)傳感器采用了狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)其波導(dǎo)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于常規(guī)光波導(dǎo)，因此更適宜于集成，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超小型化傳感器件。
(3)本發(fā)明所涉及的光學(xué)傳感器由于采用了狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可在很大范圍 內(nèi)支持不同波長(zhǎng)的傳輸，因此可使用各種不同光源進(jìn)行檢測(cè)。
(4 )本發(fā)明所涉及的光學(xué)傳感器在其基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)將距離、溫度、 加速度和壓力等物理量轉(zhuǎn)化為外部作用力，還能用于^r測(cè)上述物理量的變化。


圖1:基本的單狹縫結(jié)構(gòu)示意圖 圖2:單狹縫波導(dǎo)光場(chǎng)分布示意圖
圖3 :光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)、 7為被覆層；2、 4、 6為平板； 3、 5為狹縫；8為觸點(diǎn)；9為輸入波導(dǎo)
圖4:雙狹縫波導(dǎo)中的光場(chǎng)分布示意圖。(a):狹縫3寬度為50nm; ( b ): 狹縫3寬度為5nm; ( c ):狹縫3寬度為95nm
圖5:狹縫3中的功率隨狹縫寬度的變化
具體實(shí)施例方式
本應(yīng)用實(shí)例中，高折射率材料使用的是高折射率玻璃(折射率為1.65)， 低折射率材料使用的是空氣(折射率為1. 0)。
輸入波導(dǎo)為脊形波導(dǎo)，由高折射率玻璃構(gòu)成，脊形部分的形狀為矩形，寬 度為900nm。平板2 , 6截面形狀為矩形，360nm寬，1800nm高。平板4截面形 狀為矩形，50mn寬，1800nm高。狹縫3 , 5截面形狀為矩形，在輸入端寬度相 同，均為50nm。該雙狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)位于同樣折射率玻璃襯底上。平板4在通過(guò) 刻蝕在波導(dǎo)的后半段與基底分離，從而可彎曲變形。輸入光波的波長(zhǎng)設(shè)為1.55 ia m。
這里采用光波導(dǎo)仿真軟件，對(duì)上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與計(jì)算。圖 4(a), 4(b), 4(c)分別顯示了當(dāng)輸出端狹縫寬度發(fā)生變化時(shí)，在雙狹縫波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)輸出端光場(chǎng)分布的變化。
圖4(a)中顯示的是兩個(gè)狹縫的寬度均為50納米時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布，因?yàn)楠M縫 的寬度相同，場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)稱，因此被限制在兩個(gè)狹縫中的功率也相同。圖4(b) 中顯示的是當(dāng)平板4偏離中心而靠近平板2 ，使得狹縫3的寬度為5nm時(shí)的場(chǎng) 強(qiáng)分布。因?yàn)楠M縫3的寬度變小，場(chǎng)強(qiáng)雖略有增加，但被限制在狹縫3中的功 率卻減小。圖4(c)中顯示的是當(dāng)平板4偏離中心而遠(yuǎn)離平板2 ，使得狹縫3的
寬度為95nm時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)分布。因?yàn)楠M縫3的寬度變大，場(chǎng)強(qiáng)雖略有降低，但被限 制在狹縫3中的功率卻增加。從此可以得出，當(dāng)狹縫寬度變小時(shí)，其中光場(chǎng)強(qiáng) 度略有增加；當(dāng)狹縫寬度變大時(shí)，其中光場(chǎng)強(qiáng)度略有下降,但都變化不大。但 由于光功率限制因子決定于光場(chǎng)強(qiáng)度和面積的乘積，所以對(duì)每個(gè)狹縫的光功率 限制因子將隨著該狹縫寬度減小而減小，隨著該狹縫寬度增加而增加。
圖5所示為狹縫3中光場(chǎng)功率限制因子隨狹縫寬度變化的規(guī)律。從圖中可 以很明顯的看到，從5腿到95腿，光功率限制因子直接與狹縫的寬度成正比， 幾乎呈線性關(guān)系。在上述位移范圍內(nèi)，該狹縫中所輸出的光功率有相當(dāng)大的改 變，因此可以明顯地體現(xiàn)平板4的位置改變。當(dāng)平板4每移動(dòng)IO腿時(shí)，相對(duì)于 其在中心位置時(shí)狹縫3的輸出光功率將變化40. 1 % 。因此通過(guò)^l笨測(cè)狹縫3輸出 光功率的變化得到納米級(jí)的位移變化，能夠達(dá)到很高的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一個(gè)包括輸入光波導(dǎo)和一個(gè)可動(dòng)雙狹縫波導(dǎo)的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)，輸入光波導(dǎo)的作用是將光耦合進(jìn)雙狹縫波導(dǎo)。雙狹縫結(jié)構(gòu)的作用是將光場(chǎng)限制在兩個(gè)同向傳輸?shù)牡驼凵渎湿M縫中，兩狹縫中的光場(chǎng)分布可以受到狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸變化的影響。狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由三個(gè)平板和兩個(gè)狹縫相間形成的。
2. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，平板和狹縫的寬度遠(yuǎn)小于光波 長(zhǎng)，在幾十至幾百納米之間。
3. 權(quán)利要求1中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)平板間的間距固定不變， 而中間平板在輸入端一側(cè)的位置固定，而在輸出端一側(cè)與兩側(cè)平板的間距可變。
4. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，平板材料為高折射率材料，狹 縫材料為低折射率材料，被覆層材料為低折射率材料(其材料可以與狹縫材料 相同或不同)。平板和狹縫的材料折射率的比例應(yīng)不小于1. 6。
5. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，平板的材料為不可壓縮的固體 材料，狹縫的材料為可壓縮或可流動(dòng)的流體材料。
6. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，平板材料可以采用硅、高折射 率玻璃、光學(xué)晶體等實(shí)現(xiàn)。狹縫材料可以采用氣體、液體等實(shí)現(xiàn)。
7. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，平板在導(dǎo)光區(qū)域范圍內(nèi)的橫截 面形狀可以矩形、梯形或其他相似形狀。
8. 權(quán)利要求l中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)中，通過(guò)測(cè)量上述傳感器結(jié)構(gòu)中輸 出端光強(qiáng)度的變化得到中間平板的位移信息。
9. 基于上述權(quán)利要求1中所述的光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)的光學(xué)位移、溫度、加速 度和壓力等傳感器件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可用于測(cè)量物理量微小變化的光學(xué)納米級(jí)傳感器，其特征在于該光學(xué)傳感器由輸入波導(dǎo)和雙狹縫波導(dǎo)組成，雙狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由三個(gè)高折射率平板(2，4，6)、兩個(gè)低折射率狹縫(3，5)和被覆層(1，7)組成。該器件可以將溫度、加速度和壓力等物理量轉(zhuǎn)化為外部作用力，導(dǎo)致平板4發(fā)生移動(dòng)，使傳感器輸出端兩個(gè)狹縫中的光功率分布發(fā)生變化，從而可精確地獲得外界物理量的變化。該傳感器靈敏度高，適于高精度測(cè)量；支持不同波長(zhǎng)的傳輸，可使用各種不同光源進(jìn)行檢測(cè)；波導(dǎo)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)光波導(dǎo)，更適宜于集成。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101206127SQ200710176770
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者劉建勝, 徐曉萍, 穆達(dá)瑟, 欣 趙, 錚 鄭 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)