專利名稱：基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器及其制備方法， 屬于光學(xué)傳感器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)傳感器是一種具有廣闊前景的傳感器件，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè) 和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著對(duì)傳感器低成本、高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊等需求的增加，人們根據(jù)不 同的結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理提出了各式各樣的新型光學(xué)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(huán)諧振器、馬赫曾德干涉儀等。其中微環(huán)諧振器由于具有的體積小、高 靈敏度、高集成，制備簡單等優(yōu)良特性，近年來受到越來越多的關(guān)注。隨著制作工藝水平的 提高，人們?cè)O(shè)計(jì)和制造出越來越多的基于微環(huán)諧振器與其他光學(xué)器件集成的傳感器。其中 馬赫曾德干涉儀和微環(huán)耦合成的各類集成器件不僅在光延遲線和非線性光轉(zhuǎn)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(guān)注。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷結(jié)合上述微環(huán)諧振器的高靈敏度和 馬赫曾德干涉儀的干涉效應(yīng)，提供一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器， 它是一種改進(jìn)的馬赫曾德干涉儀，但是其輸入端和輸出端在同一側(cè)，不同于一般馬赫曾德 干涉儀的兩側(cè)耦合結(jié)構(gòu)，更便于進(jìn)行傳感檢測(cè)，如可以直接把本器件放置在被測(cè)液體樣本 中進(jìn)行檢測(cè)。而且輸入端和輸出端在同一側(cè)便于與其他器件的集成，提高了該器件的集成 度。而且微環(huán)陣列具有高靈敏度特性，進(jìn)一步提高了該器件的傳感靈敏度，這將在傳感領(lǐng)域 有廣闊的應(yīng)用前景。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的構(gòu)思和工作原理如下本發(fā)明提出了一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器，它結(jié)合了微環(huán)陣 列的高靈敏度特性和U型波導(dǎo)導(dǎo)致的馬赫曾德干涉效應(yīng)，可采用紫外光刻法技術(shù)制備，通 過輸出端諧振波長的移動(dòng)量來測(cè)試其傳感特性。
本發(fā)明的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器，它主要包括一個(gè)U型 波導(dǎo)和三個(gè)微環(huán)諧振器，其中U型波導(dǎo)的兩端包含一個(gè)輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)。為了降 低反射，輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)的端面進(jìn)行拋光和鍍膜。
上述的三個(gè)微環(huán)諧振器并排制作在硅基二氧化硅基底上，形成微環(huán)陣列，該微環(huán) 陣列內(nèi)嵌在U型波導(dǎo)內(nèi)，其U型波導(dǎo)的輸入端波導(dǎo)與微環(huán)陣列的輸入端，輸出端波導(dǎo)與微環(huán) 陣列的輸出端間隔相同，光由輸入端耦合到微環(huán)，再由微環(huán)耦合出波導(dǎo)。
本發(fā)明的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器的制備方法基于馬赫 曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)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(shù)在硅基二氧化硅基底將基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)圖形轉(zhuǎn)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(qū)域，在硅基二氧化硅基底刻蝕出微環(huán)陣列，內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)之間，位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，形成基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器。
工作原理光從輸入端波導(dǎo)的一端進(jìn)入波導(dǎo)，當(dāng)滿足下面條件時(shí)，光發(fā)生諧振，從波導(dǎo)耦合進(jìn)入微環(huán)其中《W為波導(dǎo)的有效折射車￡表示微環(huán)的周長， W表示耦合階數(shù)Jl表示耦合波長。在微環(huán)中特定波長光滿足微環(huán)與微環(huán)之間諧振的條件，則耦合進(jìn)入相鄰的微環(huán)，光依次在微環(huán)陣列中進(jìn)行傳輸，在靠近波導(dǎo)的微環(huán)中光到達(dá)微環(huán)與波導(dǎo)之間的耦合區(qū)時(shí)，被耦合到輸出端波導(dǎo)中。
一部分進(jìn)入輸入端波導(dǎo)的光，如上面所述耦合進(jìn)微環(huán)傳輸，剩余的光則繼續(xù)在U 型波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸。U型波導(dǎo)傳輸?shù)墓馀c微環(huán)矩陣耦合到輸出端波導(dǎo)中的光發(fā)生干涉，產(chǎn)生馬赫曾德干涉效應(yīng)，U型波導(dǎo)和微環(huán)陣列相當(dāng)于馬赫曾德干涉儀的兩個(gè)干涉臂，輸入端波導(dǎo)和微環(huán)構(gòu)成的耦合區(qū)實(shí)現(xiàn)馬赫曾德干涉儀中的光中光分束器的作用，微環(huán)和輸出端波導(dǎo)構(gòu)成的耦合區(qū)起到馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用。
其中發(fā)生馬赫曾德干涉效應(yīng)產(chǎn)生的諧振波長Je滿足公式!^￡ = (111+1/2+5) ,其中!《表示干涉階數(shù)，為馬赫曾德干涉儀兩個(gè)臂的有效折射率，L表示兩個(gè)路徑的路程差，即兩個(gè)干涉臂的長度差5力一個(gè)小數(shù)，控制波導(dǎo)與微環(huán)的耦合系數(shù)。當(dāng)把待測(cè)物質(zhì)置于基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器中時(shí)*%發(fā)生改變，引起輸出端諧振波長的移動(dòng)，通過其移動(dòng)量來測(cè)試其傳感特性。
上述的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器的微環(huán)數(shù)目必須為奇數(shù)， 因?yàn)閿?shù)目為偶數(shù)時(shí)，微環(huán)中傳輸?shù)捻槙r(shí)針模式和逆時(shí)針模式之間的耦合在輸入端造成反射，影響輸入端波導(dǎo)的光傳輸。實(shí)驗(yàn)仿真表明隨著微環(huán)的數(shù)目增加，該傳感器的靈敏度越高，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。權(quán)衡兩者之間的關(guān)系，微環(huán)的數(shù)目選定為3，即微環(huán)階數(shù)為3.根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思和工作原理，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于馬赫增德爾干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)傳感器，包括一個(gè)U型波導(dǎo)和三個(gè)微環(huán)諧振器，其特征在于所述的三個(gè)微環(huán)諧振器內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)內(nèi)，介于輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)之間，所述微環(huán)諧振器和U型波導(dǎo)兩者的折射率相同；信號(hào)光通過光纖耦合到輸入端波導(dǎo)，在U型波導(dǎo)和微環(huán)諧振器構(gòu)成的耦合區(qū)分成兩個(gè)傳播路徑，一部分信號(hào)光由耦合區(qū)被耦合到微環(huán)I中，在微環(huán)陣列中進(jìn)行傳輸，另有部分信號(hào)光繼續(xù)在U型波導(dǎo)直接進(jìn)行傳輸；在微環(huán)中傳輸?shù)男盘?hào)光到達(dá)輸出端波導(dǎo)和微環(huán)3構(gòu)成的稱合區(qū)被稱合進(jìn)傳輸端波導(dǎo)， 與在U型波導(dǎo)傳輸?shù)男盘?hào)光發(fā)生干涉，產(chǎn)生馬赫曾德干涉效應(yīng)，U型波導(dǎo)和串聯(lián)微環(huán)相當(dāng)于馬赫曾德干涉儀的兩個(gè)干涉臂，輸入端波導(dǎo)和微環(huán)I構(gòu)成的耦合區(qū)實(shí)現(xiàn)馬赫曾德干涉儀中的光分束器的作用，微環(huán)3和輸出端波導(dǎo)構(gòu)成的耦合區(qū)起到馬赫曾德 干涉儀中光合波器的作用，然后利用光學(xué)儀器測(cè)量諧振波長的移動(dòng)進(jìn)行各種類型的傳感。
所述輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)實(shí)行拋光和鍍膜。
一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)傳感器的制備方法，其特征在于利用等 離子化學(xué)氣相沉積在基底娃片上沉積一層二氧化娃作為光波導(dǎo)的下包層，從而形成娃基二 氧化硅基底；用旋涂法將光刻膠均勻涂覆在硅基二氧化硅表面，將樣品在95°C± 5°C前烘 3-5分鐘，然后用特制的掩膜板對(duì)樣品利用紫外光進(jìn)行紫外曝光，將器件整體圖樣轉(zhuǎn)移到 光刻膠上；將上述樣品放在烘箱進(jìn)行固化，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區(qū) 域，在娃基二氧化娃基底刻蝕出串聯(lián)微環(huán)陣列，內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)之間,位于輸入波導(dǎo)和輸出 波導(dǎo)之間；為了減少入射光的散射，對(duì)輸入端波導(dǎo)(3)和輸出端波導(dǎo)(9)切片，然后進(jìn)行端 面拋光，最后鍍膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)I K少1)結(jié)合了馬赫曾德干涉儀和微環(huán)諧振器二者的優(yōu)良特性，可實(shí)現(xiàn)小尺寸、快響應(yīng)速度 和高靈敏度的微量檢測(cè)；2)由于利用波導(dǎo)與微環(huán)之間的耦合作為光分束器和合波器，不需要獨(dú)立的體分光器 和體合波器，而且該器件的輸入端和輸出端在同一側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于與現(xiàn)有的光學(xué)器件集 成。
3)該傳感器件具有全波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以采用采用紫外光刻法的制作工藝，具有低成 本、工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)。
4)該器件的輸入端和輸出端在同一側(cè)，便于傳感測(cè)試，如可以直接把本器件放置 在被測(cè)液體樣本中進(jìn)行檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明中U型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器的陣列結(jié)構(gòu)耦合示意圖 圖2是本發(fā)明中U型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振器的陣列結(jié)構(gòu)耦合的平面3是本發(fā)明中制備工藝流程圖(其中圖(I)為形成二氧化硅基底，圖(2)為旋涂光刻 膠，圖(3)為紫外曝光，圖(4)為固化顯影。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施案例結(jié)合

如下實(shí)施例一本基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器，參見圖1立體圖和圖2俯視圖，它 主要包括一個(gè)U型波導(dǎo)(I)和三個(gè)微環(huán)諧振器(2)，其中兩個(gè)部分的折射率相同。
上述的U型波導(dǎo)包括輸入端波導(dǎo)(3)和輸出端波導(dǎo)(9)，參看圖1立體圖，為了降 低反射，輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)的端面(10) (11)進(jìn)行拋光和鍍膜。
上述的三個(gè)微環(huán)諧振器并排制作在硅基二氧化硅基底片(7) (8)上，形成微環(huán)陣列(2),該微環(huán)陣列內(nèi)嵌在U型波導(dǎo)(I)內(nèi)，其U型波導(dǎo)(I)的輸入端波導(dǎo)(3)與微環(huán)I (6), 輸出端波導(dǎo)(9)與微環(huán)3 (4)間隔相同，有利于更多的光由輸入端入射到微環(huán)，再由微環(huán)耦 合出波導(dǎo)。
實(shí)施例二上述傳感器的制備方法是上述基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器是由 聚合物光刻膠通過紫外光刻法刻蝕而成，首先采用紫外光光刻技術(shù)在硅基二氧化硅基底將 基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)圖形轉(zhuǎn)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(qū)域，在娃基二氧化娃基底刻蝕出微環(huán)陣列，內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)之間,位于輸 入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，形成基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器。參看圖3 制備工藝流程，其具體工藝過程及工藝步驟如下1)利用等離子化學(xué)氣相沉積在基底硅片(12)上沉積一層二氧化硅(13)作為光波導(dǎo)的 下包層，從而形成硅基二氧化硅基底；2)用旋涂法將光刻膠(14)均勻涂覆在硅基二氧化硅表面，將樣品在95°C前烘3-5分 鐘，然后用特制的掩膜板(15)對(duì)樣品利用紫外光(16)進(jìn)行紫外曝光，將器件整體圖樣轉(zhuǎn)移 到光刻膠上；3)將上述樣品放在烘箱進(jìn)行固化，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區(qū)域， 在娃基二氧化娃基底刻蝕出微環(huán)陣列，內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)之間,位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之 間；4)對(duì)輸入端波導(dǎo)和輸出端波導(dǎo)切片，然后進(jìn)行端面(10)、(11)拋光，最后鍍膜。
5)參看圖1和圖2，信號(hào)光通過光纖耦合到輸入端波導(dǎo)(3)，在波導(dǎo)和微環(huán)構(gòu)成的 耦合區(qū)分成兩個(gè)傳播路徑，一部分信號(hào)光由耦合區(qū)被耦合到微環(huán)(6)中，在微環(huán)陣列(2)中 進(jìn)行傳輸，剩下的信號(hào)光繼續(xù)在U型波導(dǎo)(I)直接進(jìn)行傳輸。在微環(huán)中傳輸?shù)男盘?hào)光到達(dá) 輸出端波導(dǎo)(9)和微環(huán)(6)構(gòu)成的稱合區(qū)被稱合進(jìn)傳輸端波導(dǎo),與在U型波導(dǎo)傳輸?shù)男盘?hào)光 發(fā)生干涉，產(chǎn)生馬赫曾德干涉效應(yīng)，U型波導(dǎo)(I)和微環(huán)陣列(2)相當(dāng)于馬赫曾德干涉儀的 兩個(gè)干涉臂，輸入端波導(dǎo)(3)和微環(huán)(6)構(gòu)成的耦合區(qū)實(shí)現(xiàn)馬赫曾德干涉儀中的光中光分 束器的作用，微環(huán)(4)和輸出端(9)波導(dǎo)構(gòu)成的耦合區(qū)起到馬赫曾德干涉儀中光合波器的 作用，然后利用光學(xué)儀器測(cè)量諧振波長的移動(dòng)進(jìn)行各種類型的傳感。
權(quán)利要求
1.一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)傳感器，包括ー個(gè)U型波導(dǎo)(I)和三個(gè)微環(huán)諧振器(2)，其特征在于所述的三個(gè)微環(huán)諧振器(2)內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)內(nèi)，介于輸入端波導(dǎo)(3)和輸出端波導(dǎo)(9)之間，所述微環(huán)諧振器(2)和U型波導(dǎo)(I)兩者的折射率相同；信號(hào)光通過光纖耦合到輸入端波導(dǎo)(3)，在U型波導(dǎo)(I)和微環(huán)諧振器(2)構(gòu)成的耦合區(qū)分成兩個(gè)傳播路徑，一部分信號(hào)光由稱合區(qū)被稱合到微環(huán)I (6)中，在微環(huán)陣列中進(jìn)行傳輸，另有部分信號(hào)光繼續(xù)在U型波導(dǎo)(I)直接進(jìn)行傳輸；在微環(huán)中傳輸?shù)男盘?hào)光到達(dá)輸出端波導(dǎo)(9)和微環(huán)3 (4)構(gòu)成的稱合區(qū)被稱合進(jìn)傳輸端波導(dǎo),與在U型波導(dǎo)傳輸?shù)男盘?hào)光發(fā)生干涉,產(chǎn)生馬赫曾德干涉效應(yīng)，U型波導(dǎo)(I)和串聯(lián)微環(huán)(2)相當(dāng)于馬赫曾德干涉儀的兩個(gè)干涉臂，輸入端波導(dǎo)(3)和微環(huán)I (6)構(gòu)成的耦合區(qū)實(shí)現(xiàn)馬赫曾德干涉儀中的光分束器的作用，微環(huán)3 (4)和輸出端波導(dǎo)(9)構(gòu)成的耦合區(qū)起到馬赫曾德干涉儀中光合波器的作用，然后利用光學(xué)儀器測(cè)量諧振波長的移動(dòng)進(jìn)行各種類型的傳感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫增德爾干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)傳感器，其特征在于所述輸入端波導(dǎo)(3)和輸出端波導(dǎo)(9)實(shí)行拋光和鍍膜。
3.ー種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌微環(huán)傳感器的制備方法，其具體エ藝過程及エ藝步驟如下 1)利用等離子化學(xué)氣相沉積在基底硅片(12)上沉積ー層ニ氧化硅(13)作為光波導(dǎo)的下包層，從而形成硅基ニ氧化硅基底； 2)用旋涂法將光刻膠(14)均勻涂覆在硅基ニ氧化硅表面，將樣品在95°C± 5°C前烘3-5分鐘，然后用特制的掩膜板(15)對(duì)樣品利用紫外光(16)進(jìn)行紫外曝光，將器件整體圖樣轉(zhuǎn)移到光刻膠上； 3)將上述樣品放在烘箱進(jìn)行固化，然后將其放在顯影液中顯影，去除掉未曝光的區(qū)域，在娃基ニ氧化娃基底刻蝕出串聯(lián)微環(huán)陣列，內(nèi)嵌于U型波導(dǎo)之間,位于輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間； 4)為了減少入射光的散射，對(duì)輸入端波導(dǎo)(3)和輸出端波導(dǎo)(9)切片，然后進(jìn)行端面拋光，最后鍍膜。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于馬赫曾德干涉儀耦合的內(nèi)嵌高階微環(huán)傳感器及其制備方法，本傳感器由一個(gè)U型波導(dǎo)和三個(gè)微環(huán)諧振器組成。該傳感器結(jié)合了高階微環(huán)諧振器的高靈敏度特性和U型波導(dǎo)導(dǎo)致的馬赫曾德干涉效應(yīng)，具有靈敏度高和響應(yīng)快的優(yōu)良特性。而且該器件的輸入端和輸出端在同一側(cè)，更有利于進(jìn)行傳感檢測(cè)，便于與其他器件的集成。相比于其他光學(xué)傳感器件，該發(fā)明具有低成本、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、制作工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)，在光傳感器件領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D5/353GK103048003SQ20121054659
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者張小貝, 李迎春, 戴駿, 陳黃超, 申云 申請(qǐng)人:上海大學(xué)