專利名稱：一種光波導(dǎo)傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種光波導(dǎo)傳感器及其制作方 法。
背景技術(shù)：
布拉格光纖光柵是一種很好的測(cè)量溫度、應(yīng)力等物理量的傳感器。當(dāng)溫度、應(yīng)力等 物理量發(fā)生變化時(shí)，光纖中的光柵對(duì)光學(xué)頻率的響應(yīng)也發(fā)生了變化，通過(guò)測(cè)量光纖光柵的 光學(xué)頻率的響應(yīng)變化，可以測(cè)量出溫度、應(yīng)力等物理量的變化量。光纖光柵傳感器具有很好 的特點(diǎn)，如可以分布式、靈敏度很高、可以抗電磁干擾、可以在惡劣的環(huán)境下工作等。常規(guī)的光纖光柵生產(chǎn)方法是用紫外光，用兩束光干涉的方法或是一束光通過(guò)相位 掩模板產(chǎn)生兩束光在紫外光敏感的光纖芯徑上形成光柵。光纖光柵的光學(xué)頻率響應(yīng)，也叫 做布拉格頻率，是取決于光纖芯徑上的光柵的周期以及光纖芯徑的有效折射率。用兩束 光干涉的方法形成光纖光柵是由美國(guó)的GLENN等人在美國(guó)專利中提出的，美國(guó)專利號(hào)為 4，807，950。用相位掩模板米形成光纖光柵的方法是由加拿大的Hill等人在美國(guó)專利中提 出的，美國(guó)專利號(hào)為5，367，588。用紫外光生產(chǎn)光纖光柵有一些缺點(diǎn)，如在高溫下光纖光柵容易消失，原因是光纖 芯徑中的折射率的調(diào)制，或叫做光柵會(huì)在高溫下消除掉。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Askins等人 在公開(kāi)的美國(guó)專利中提出采用脈沖式紫外光來(lái)形成光纖光柵(美國(guó)專利號(hào)5，400，422)，達(dá) 到在光纖的芯徑上形成永久性的光致折射率變化，使光纖光柵在高溫下也不容易消失。事實(shí)上在短的高強(qiáng)度紫外光脈沖下，光纖芯徑材料會(huì)被破壞性的變化，這種光纖 光柵只有在溫度達(dá)到使光纖材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)才會(huì)消失，但這種方法也有個(gè)缺點(diǎn)，即光 纖的強(qiáng)度比較低，因?yàn)楣饫w芯徑材料折射率的變化是破壞性的變化。藍(lán)寶石是一種耐高溫材料，藍(lán)寶石的玻璃化的溫度達(dá)2000度以上，所以有人采用 藍(lán)寶石光纖做高溫光纖傳感器，但是由于技術(shù)的原因，目前世界上還不能生產(chǎn)單模藍(lán)寶石 光纖，只能生產(chǎn)多模藍(lán)寶石光纖，最細(xì)的多模藍(lán)寶石光纖芯徑為50微米。不像常規(guī)的石英 玻璃光纖，多模藍(lán)寶石光纖沒(méi)有包層和涂覆層；多模藍(lán)寶石光纖不能像常規(guī)的光纖傳感器 用光纖光柵一樣，在單模下運(yùn)行。美國(guó)的Murphy等人在多模藍(lán)寶石光纖的端面上制作法布 里進(jìn)(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具作為高溫傳感器(美國(guó)專利號(hào)5，381，229)，因?yàn)檫@種藍(lán)寶石光纖傳感器 必須使用寬帶光源，所以很難應(yīng)用波分復(fù)用，或時(shí)分復(fù)用技術(shù)，所以這種藍(lán)寶石光纖傳感器 不能用于分布式傳感器陣列。加拿大的Mihailov等人于提出了使用飛秒激光器在多模藍(lán)寶石光纖上或在鋯基 材料波導(dǎo)上制作布拉格光柵結(jié)構(gòu)(美國(guó)專利號(hào)7，379643)。為了解決多模藍(lán)寶石光纖上制 作布拉格光柵所產(chǎn)生的多個(gè)峰值而不容易分辨的問(wèn)題，Mihailov等人于提出了使用錐度單 模光纖與多模藍(lán)寶石光纖相連接，由于錐度單模光纖的波數(shù)V值小于1，可以從多模藍(lán)寶石 光纖中只產(chǎn)生一個(gè)諧波模，但這種方法仍然工作在多模光纖的原理上，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較 麻煩。
美國(guó)通用電氣公司的McCarthy等人提出用微電子工藝如光刻和離子刻蝕方法在 光纖上制作變周期微結(jié)構(gòu)光柵，用于同時(shí)測(cè)量溫度、應(yīng)力、氣體的物理參數(shù)(美國(guó)專利號(hào) 7，421162)，在該專利中，他們也提出用紫外光逐點(diǎn)法或金剛石刀在光纖上制作變周期光柵 用于可同時(shí)測(cè)量多參數(shù)的光纖傳感器；在該專利中，他們也提出制作變周期藍(lán)寶石光纖光 柵作為傳感器件同時(shí)測(cè)量高溫發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的多個(gè)物理參數(shù)，由于目前的技術(shù)不能 生產(chǎn)單模藍(lán)寶石光纖，該專利也同樣會(huì)遇到多模藍(lán)寶石光纖上制作布拉格光柵所產(chǎn)生的多 個(gè)峰值而不容易分辨的問(wèn)題。加拿大的Dai等人于提出了使用飛秒激光器在石英玻璃材料， 或其他材料包括藍(lán) 寶石材料波導(dǎo)上制作布拉格光柵結(jié)構(gòu)(美國(guó)專利號(hào)7，567734)，他們提出使用包層模和布 拉格諧波模來(lái)同時(shí)測(cè)量?jī)煞N不同的物理參數(shù)如溫度和應(yīng)力，或溫度和折射率等，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo) 必須使導(dǎo)波的芯徑與襯底材料的折射率有一個(gè)差別，這種方法并沒(méi)有解決如何在藍(lán)寶石材 料制作單模波導(dǎo)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上的多模藍(lán)寶石光纖上制作布拉格光柵所產(chǎn)生的多個(gè)峰值而不容易 分辨的問(wèn)題，以及其他方法制作高溫光纖傳感器成本高，效率低等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新 型的光波導(dǎo)傳感器及其制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在光 波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，線狀光波導(dǎo)中有光柵結(jié)構(gòu)。上述光波導(dǎo)傳感器的第一種制作方法，用耐高溫光學(xué)材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用 激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)基片 中直接制作出帶有光柵結(jié)構(gòu)的線狀光波導(dǎo)；上述光波導(dǎo)傳感器的第二種制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)基片上制作出線狀光波導(dǎo)第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo) 基片，在的線狀光波導(dǎo)內(nèi)制作出光柵結(jié)構(gòu)。另一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在 光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，光波導(dǎo)基片的表面還設(shè)置有光柵結(jié)構(gòu)。上述光波導(dǎo)傳感器的第一種制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)，基片制作出線狀光波導(dǎo)；第二步，在光波導(dǎo)基片的表面制作出光柵結(jié)構(gòu)。在第一步后制作一個(gè)帶有光柵圖形的光刻板，即用甩膠的方法在光波導(dǎo)基片上涂 上一層光刻膠，用光刻的方法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上的光刻膠上；然 后用反應(yīng)離子刻蝕的方法將光刻膠上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上；最后把剩余的光刻 膠去掉。上述光波導(dǎo)傳感器的第二種制作方法，包括如下步驟
第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，制作出線狀光波導(dǎo)；第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片的表而上掃描激光光束或者移動(dòng) 光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)表面制作出光柵結(jié)構(gòu)。制作出的線狀光波導(dǎo)所用激光為飛秒激光；飛秒激光的脈沖寬度小于400飛秒。所用光波導(dǎo)基片介質(zhì)為藍(lán)寶石，氧化鋯。不同周期光柵位于線狀光波導(dǎo)器件的不同位置，形成分布式的傳感器陣列。有益效果本發(fā)明公開(kāi)了高溫光波導(dǎo)傳感器件的類型之一是由耐高溫的光學(xué)材料 做成的光波導(dǎo)的基片上帶有光柵結(jié)構(gòu)的線狀光波導(dǎo)，高溫光波導(dǎo)傳感器件的類型之二是由 耐高溫的光學(xué)材料做成的光波導(dǎo)的基片中有線狀光波導(dǎo)而光波導(dǎo)基片的表面刻有光柵結(jié) 構(gòu)以及兩種光波導(dǎo)傳感器件的制作方法。由于光波導(dǎo)器件是單模的，或只有少數(shù)幾個(gè)模的 結(jié)構(gòu)，位于光波導(dǎo)通道上的光柵只有一個(gè)諧波模，或只有少數(shù)幾個(gè)模，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)光 波導(dǎo)材料的折射率以及光波導(dǎo)光柵的周期也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量通過(guò)光波導(dǎo)基片上的光 波導(dǎo)通道中的光柵的諧波波長(zhǎng)的變化，可以測(cè)量出溫度的變化，由于采用了激光技術(shù)和微 電子生產(chǎn)工藝，可以在一片基片上同時(shí)生產(chǎn)出許多個(gè)光波導(dǎo)光柵傳感器件，生產(chǎn)成本低，效 率高。


圖1為線狀光波導(dǎo)中帶有光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傳感器件；圖2為光柵結(jié)構(gòu)的本身形成線狀光波導(dǎo)的光波導(dǎo)傳感器件；圖3為光波導(dǎo)基片中有帶有線狀光波導(dǎo)，光波導(dǎo)基片表面有光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4表而為臺(tái)階形的光波導(dǎo)的基片，帶有線狀光波導(dǎo)的光波導(dǎo)傳感器件，光波導(dǎo) 基片表面有光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為光波導(dǎo)基片介質(zhì)是藍(lán)寶石多模光纖，藍(lán)寶石多模光纖中帶有線狀光波導(dǎo)， 線狀光波導(dǎo)內(nèi)部有光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為光波導(dǎo)基片介質(zhì)是藍(lán)寶石多模光纖，藍(lán)寶石多模光纖中帶有光柵結(jié)構(gòu)，而 光柵結(jié)構(gòu)的本身形成光波導(dǎo)的示意圖；圖7為光波導(dǎo)基片介質(zhì)是藍(lán)寶石多模光纖，藍(lán)寶石多模光纖中帶有線狀光波導(dǎo)， 藍(lán)寶石多模光纖表面有光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為帶有光柵的光波導(dǎo)器件作為傳感器件的反射測(cè)量法應(yīng)用示意圖。圖中1-光波導(dǎo)基片，2-線狀光波導(dǎo)，3-波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，4-表面光柵結(jié)構(gòu)，5-藍(lán)寶 石多模光纖，6-臺(tái)階形光波導(dǎo)基片，7-光纖，8-封裝好的傳感器，9-光纖耦合器，10-寬帶光 源，11-光纖光譜儀。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在光波導(dǎo)基片1上有線狀光波導(dǎo)2，線狀光波導(dǎo)2中有波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)3，如圖1所示。上述光波導(dǎo)傳感器的第一種制作方法，用耐高溫光學(xué)材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片1中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片1，在光波導(dǎo) 基片1中直接制作出帶有光柵結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)3，如圖2所示；上述光波導(dǎo)傳感器的第二種制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)基片1上制作出線狀光波導(dǎo)2 ；第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片1中，移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光 波導(dǎo)基片1在的線狀光波導(dǎo)2內(nèi)制作出波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)3，如圖1所示。另一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在 光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，光波導(dǎo)基片的表面還設(shè)置有光柵結(jié)構(gòu)。
上述光波導(dǎo)傳感器的第一種制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)1，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片1中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片1，制作出線狀光波導(dǎo)2 ；第二步，在光波導(dǎo)基片1的表面制作出表面光柵結(jié)構(gòu)4，如圖3所示。在第一步后制作一個(gè)帶有光柵圖形的光刻板，即用甩膠的方法在光波導(dǎo)基片上1 涂上一層光刻膠，用光刻的方法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上的光刻膠上； 然后用反應(yīng)離子刻蝕的方法將光刻膠上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上1 ；在基片的上表 面形成表面光柵結(jié)構(gòu)4，最后把剩余的光刻膠去掉。如圖3所示。上述光波導(dǎo)傳感器的第二種制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基 片1中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片1，制作出線狀光波導(dǎo)2 ；第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片1的表面上掃描激光光束或者移 動(dòng)光波導(dǎo)基片1，在光波導(dǎo)表面制作出表面光柵結(jié)構(gòu)4。如圖3所示；制作出的線狀光波導(dǎo)所用激光為飛秒激光；飛秒激光的脈沖寬度小于400飛秒。所用光波導(dǎo)基片介質(zhì)為藍(lán)寶石或氧化鋯或其他耐高溫材料。不同周期光柵位于線狀光波導(dǎo)器件的不同位置，形成分布式的傳感器陣列。一種光波導(dǎo)傳感器的制作方法，包括如下步驟第一步，用耐高溫光學(xué)材料作成光波導(dǎo)基片1，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo) 基片上移動(dòng)光波導(dǎo)基片1或移動(dòng)激光光束，在光波導(dǎo)基片上制作出線狀光波導(dǎo)2 ；第二步，在光波導(dǎo)基片的表面制作出表面光柵結(jié)構(gòu)4。在第一步后制作一個(gè)帶有光柵圖形的光刻板，即用甩膠的方法在光波導(dǎo)基片1上 涂上一層光刻膠，用光刻的方法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片1上的光刻膠 上。所用激光為飛秒激光；飛秒激光的脈沖寬度小于400飛秒。所用光波導(dǎo)基片介質(zhì)為藍(lán)寶石或氧化鋯還可以是其他耐高溫光學(xué)材料；所述藍(lán)寶 石基片也可以為藍(lán)寶石多模光纖。不同光柵周期刻蝕在線狀光波導(dǎo)器件的不同位置，形成分布式的傳感器陣列。線 狀光波導(dǎo)是單模的或有幾個(gè)模的光波導(dǎo)器件。以下是描寫(xiě)光波導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)和功能。光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，如藍(lán)寶石，氧化鋯等，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，使光在線狀光波導(dǎo)中傳輸，線狀光波導(dǎo)上有光柵結(jié)構(gòu)，光柵的周期和材料的折 射率在溫度，應(yīng)力等物理量變化的情況下發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量出與波導(dǎo)中的光柵相關(guān)的諧 波波長(zhǎng)的變化，得到溫度，應(yīng)力的物理量的變化。以下是描寫(xiě)如何在耐高溫光波導(dǎo)基片材料上制作光波導(dǎo)和光柵的方法之一。步驟1.首先在耐高溫的平面光學(xué)介質(zhì)基片上，如藍(lán)寶石基片上，用飛秒激光或別的激光經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后并沿著基片掃描而制作一個(gè)線狀光波導(dǎo)，線狀光波導(dǎo)的長(zhǎng)度可以是 幾毫米到幾米。由于飛秒激光器在介質(zhì)中的自聚焦效應(yīng)，以及使用的光學(xué)系統(tǒng)的不同，如光 學(xué)透鏡的焦距不同，和激光掃描的速度不同等因素的影響，線狀光波導(dǎo)的形狀可以是圓形， 方形，長(zhǎng)方形，或其他不規(guī)則的圖形。光波導(dǎo)可以寫(xiě)在介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片的里面，也可 以寫(xiě)在介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片的上表面。由于線狀光波導(dǎo)的折射率大于四周的材料的折射 率，光波被束縛在光波導(dǎo)中傳播。介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片中形成的線狀光波導(dǎo)可以是均勻 的，即線狀光波導(dǎo)的尺寸和折射率變化都是相同的，如圖1所示。介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片 中形成的線狀光波導(dǎo)可以是不均勻的，例如線狀光波導(dǎo)的形狀類似由一個(gè)個(gè)小球連接起來(lái) 的，如果這些折射率改變的小球的間隔是相同的，則線狀光波導(dǎo)的本身就是一種光柵結(jié)構(gòu)， 具有布拉格光柵的特性，如圖2所示，在這種情況下步驟2就不需要了。為了更好的束縛 光波在波導(dǎo)中傳播。我們可以把介質(zhì)基片的上表面做成一個(gè)小臺(tái)階形，如圖6所示。如果 介質(zhì)基片的上表面不是一個(gè)平面的，而是一個(gè)臺(tái)階形光波導(dǎo)基片6，線狀光波導(dǎo)2位于臺(tái)階 中，表面光柵4位于臺(tái)階的上表面，如圖4所示。臺(tái)階的寬帶可以是零點(diǎn)幾個(gè)微米到幾十個(gè) 微米，臺(tái)階的高度可以是零點(diǎn)幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，介質(zhì)基片的寬度可以是零點(diǎn)幾個(gè)毫 米到幾毫米，介質(zhì)基片的厚度可以是零點(diǎn)幾個(gè)毫米到幾十個(gè)毫米，介質(zhì)基片的長(zhǎng)度可以是 幾個(gè)毫米到數(shù)米。步驟2.再用飛秒激光或別的激光在介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片中的線狀光波導(dǎo)上用 逐點(diǎn)法制作布拉格光柵。即在線狀光波導(dǎo)上寫(xiě)上一個(gè)點(diǎn)，移動(dòng)一下基片或移動(dòng)一下光點(diǎn)，再 寫(xiě)一個(gè)點(diǎn)，再移動(dòng)一下基片或移動(dòng)一下光點(diǎn)。移動(dòng)點(diǎn)的距離就是光柵的周期，例如激光器的 頻率是1kHz，位移臺(tái)移動(dòng)的速度是lmm/s則刻寫(xiě)的光柵的周期是1微米，如圖1所示。以下是說(shuō)明如何在耐高溫光波導(dǎo)基片材料上制作光波導(dǎo)和光柵的方法之二。步驟1.與方法之一的步驟1相同。步驟2.制作一個(gè)帶有光柵圖形的光刻板。用甩膠的方法在光波導(dǎo)基片上涂上一 層光刻膠，用光刻的方法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上的光刻膠上，用顯影 的方法將光波導(dǎo)基片上沒(méi)有曝光的光刻膠去掉，用反應(yīng)離子刻蝕方法或離子束刻蝕的方法 將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上，將剩余的光刻膠清洗干凈，如圖3所示。以下是描寫(xiě)如何在耐高溫光波導(dǎo)基片材料上制作光波導(dǎo)和光柵的方法之三。步驟1.與方法之一的步驟1相同。步驟2.再用飛秒激光或別的激光在介質(zhì)基片如藍(lán)寶石基片的上表面光柵。即在 藍(lán)寶石基片的上表面上寫(xiě)上一個(gè)點(diǎn)，移動(dòng)一下基片或移動(dòng)一下光點(diǎn)，再寫(xiě)一個(gè)點(diǎn)，再移動(dòng)一 下基片或移動(dòng)一下光點(diǎn)。移動(dòng)點(diǎn)的距離就是光柵的周期，例如激光器的頻率是1kHz，位移臺(tái) 移動(dòng)的速度是lmm/s則刻寫(xiě)的光柵的周期是1微米，光波導(dǎo)器件的最后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。以下是描寫(xiě)如何在耐高溫多模光纖材料上如藍(lán)寶石多模光纖上制作光柵的方法 之一。
步驟1.首先在耐高溫的藍(lán)寶石多模光纖5中，如多模藍(lán)寶石光纖中沿軸向用飛秒 激光或其他激光制作一個(gè)線狀光波導(dǎo)2，由于飛秒激光器在介質(zhì)中的自聚焦效應(yīng)，以及使用 的光學(xué)系統(tǒng)的特性不同，如透鏡的焦距不同，和激光掃描的速度不同等因素的影響，線狀光 波導(dǎo)的形狀可以為圓形，方形，長(zhǎng)方形，橢圓形，或其他不規(guī)則的圖形，光波導(dǎo)的尺寸可以是 零點(diǎn)幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米，光波導(dǎo)的長(zhǎng)度可以從幾個(gè)毫米到數(shù)米。如圖5所示，線狀光波 導(dǎo)可以看成是一個(gè)新生成的單模光纖的芯徑，而原來(lái)的多模光纖可以看成是這個(gè)新的單模 光纖的包層，這樣光在多模光纖中的線狀光波導(dǎo)中傳播可以看成在一個(gè)等效的單模光纖中 的芯徑傳播。由于在多模光纖中制作了線狀光波導(dǎo)，使一根多模光纖轉(zhuǎn)換為一根單模光纖 的功能。下一步就需要在這根具有線狀光波導(dǎo)的多模光纖中制作布拉格光柵。如果線狀光 波導(dǎo)是均勻的，即線狀光波導(dǎo)的尺寸和折射率改變沿軸向都基本相同，如果線狀光波導(dǎo)是 不均勻的，例如線狀光波導(dǎo)的形狀像類似由一個(gè)個(gè)小球連接起來(lái)的，而且如果這些折射率 改變的小球的間隔是相同的，則線狀光波導(dǎo)的本身就是一種波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)3，具有布拉格光 柵的特性，如圖6所示，在這種情況下步驟2就不需要了。
步驟2.用飛秒激光或別的激光在藍(lán)寶石多模光纖5中的線狀光波導(dǎo)2上用逐點(diǎn) 法制作布拉格波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)3。即在線狀光波導(dǎo)2上寫(xiě)上一個(gè)點(diǎn)，移動(dòng)一下藍(lán)寶石多模光纖 5或移動(dòng)一下激光光點(diǎn)，再寫(xiě)一個(gè)點(diǎn)，再移動(dòng)一下藍(lán)寶石多模光纖5或移動(dòng)一下激光光點(diǎn)， 移動(dòng)點(diǎn)的距離就是光柵的周期，例如激光器的頻率是1kHz，位移臺(tái)移動(dòng)的速度是lmm/s則 刻寫(xiě)的光柵的周期是1微米，如圖5所示。以下是描寫(xiě)如何在耐高溫多模光纖材料上如藍(lán)寶石多模光纖上制作光柵的方法之二。步驟1.與方法之一的步驟1相同。步驟2.制作一個(gè)帶有光柵圖形的光刻板。把多模光纖的一端磨平，使光纖的外形 由圓形變成了 D形，用甩膠的方法在多模光纖的磨平的一面上涂上一層光刻膠。用光刻的 方法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上的光刻膠上，用顯影的方法將光波導(dǎo)基片 上沒(méi)有曝光的光刻膠去掉，用反應(yīng)離子刻蝕方法或離子束刻蝕的方法將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)換 到光波導(dǎo)基片表面上形成光柵，將剩余的光刻膠清洗干凈，如圖7所示)以下是描寫(xiě)如何在耐高溫多模光纖材料上如藍(lán)寶石多模光纖上制作光柵的方法之三。
步驟1.與方法之一的步驟1相同。步驟2.把多模光纖的一端磨平，使光纖的外形由圓形變成了 D形。再用飛秒激光 或別的激光在多模光纖的上表面寫(xiě)光柵。即在藍(lán)寶石多模光纖的上表面上寫(xiě)上一個(gè)點(diǎn)，移 動(dòng)一下藍(lán)寶石多模光纖5或移動(dòng)一下激光光點(diǎn)，再寫(xiě)一個(gè)點(diǎn)，再移動(dòng)一下藍(lán)寶石多模光纖5 或移動(dòng)一下激光光點(diǎn)。移動(dòng)點(diǎn)的距離就是表面光柵4的周期，例如激光器的頻率是1kHz，位 移臺(tái)移動(dòng)的速度是lmm/s則刻寫(xiě)的表面光柵4的周期是1微米，器件上的表面光柵4的最 后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。工作原理用飛秒激光或其他激光可以在透明的介質(zhì)材料內(nèi)部形成一個(gè)線狀波導(dǎo)用于限制 光束在其波導(dǎo)中傳播由于波導(dǎo)的尺寸比較小，從零點(diǎn)幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米的直徑，波導(dǎo) 可以看做為單模波導(dǎo)或有幾個(gè)模的波導(dǎo)，例如如果我們?cè)谝桓嗄９饫w上用飛秒激光或其他激光寫(xiě)入一個(gè)線狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，則我們把一根多模光纖轉(zhuǎn)化為一根單模光纖，如果我們?cè)?這根有線狀波導(dǎo)的多模光纖上制作光柵結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵或長(zhǎng)周期光柵，則這根有線狀 波導(dǎo)和光柵的多模光纖可以作為傳感器，用于測(cè)量溫度，或應(yīng)力等其他物理量。同樣例如如 果我們?cè)谝粋€(gè)平面波導(dǎo)或一個(gè)矩形波導(dǎo)上用飛秒激光或其他激光寫(xiě)入一個(gè)線狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 則該波導(dǎo)為一個(gè)單模波導(dǎo)或只有幾個(gè)模的波導(dǎo)，如果我們?cè)谶@個(gè)有線狀波導(dǎo)的基片上制作 光柵結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵或長(zhǎng)周期光柵，則這個(gè)有線狀波導(dǎo)和光柵的波導(dǎo)基片可以作為傳 感器，用于測(cè)量溫度，或應(yīng)力等其他物理量。以下是布拉格光柵的工作原理當(dāng)一個(gè)有一定帶寬的光耦合到帶有光柵的光波導(dǎo) 器件中，波長(zhǎng)滿足布拉格諧波波長(zhǎng)條件時(shí)λ = 2ηΛ其中λ是布拉格波長(zhǎng)，η是波導(dǎo)的有效折射率，A是光柵周期。當(dāng)波長(zhǎng)滿足布拉 格諧波波長(zhǎng)的光被反射，其余的光依然透射。這是一次布拉格諧波波長(zhǎng)條件。也可以有二 階或二階以上的布拉格諧波波長(zhǎng)條件如下λ = 2mn Λ
其中λ是布拉格波長(zhǎng)，m可以是1，2，3，。。。，η是波導(dǎo)的有效折射率，Λ是光柵周 期。當(dāng)波長(zhǎng)滿足布拉格多次諧波波長(zhǎng)的光被反射，其余的光依然透射。帶有光柵的光波導(dǎo) 器件的工作原理和光纖光柵的傳感工作原理完全相同。如當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，折射率η 發(fā)生漂移，或光柵的周期發(fā)生變化，使布拉格諧波波長(zhǎng)發(fā)生漂移。通過(guò)測(cè)量布拉格諧波波長(zhǎng) 的漂移，可以測(cè)量出溫度的變化值。使用一階布拉格諧波波長(zhǎng)的光波導(dǎo)光柵的周期比較短， 例如光波導(dǎo)介質(zhì)的折射率是1. 7，工作波長(zhǎng)是1. 55um，則光柵的周期為0. 45um，這在制作光 波導(dǎo)光柵上有一定的難度?？梢圆捎枚A布拉格諧波波長(zhǎng)的光波導(dǎo)光柵或高階布拉格諧波 波長(zhǎng)的光波導(dǎo)光柵。增加了光柵周期的長(zhǎng)度以降低對(duì)光柵的光波導(dǎo)器件的生產(chǎn)難度。長(zhǎng)周期光柵的工作原理當(dāng)一個(gè)有一定寬帶的光耦合到帶有長(zhǎng)周期光柵的光波導(dǎo) 器件中，波長(zhǎng)滿足諧波波長(zhǎng)條件時(shí)λ 1 = (nO-nl) Λ 1其中λ 1是響應(yīng)波長(zhǎng)，ηΟ是波導(dǎo)的有效折射率，nl是包層的有效折射率，A 1是光 柵周期。當(dāng)波長(zhǎng)滿足諧波波長(zhǎng)的光被被耦合到包層模，其余波長(zhǎng)的光依然在芯徑內(nèi)傳播。如當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，折射率η發(fā)生漂移，或光柵的周期發(fā)生變化，使諧波波長(zhǎng) 發(fā)生漂移。通過(guò)測(cè)量諧波波長(zhǎng)的漂移，可以測(cè)量出溫度的變化值。帶有光柵的光波導(dǎo)器件作為傳感器件位于被測(cè)的環(huán)境中，如一個(gè)高溫區(qū)，帶有光 柵的光波導(dǎo)器件通過(guò)光纖和一個(gè)分路器連接，分路器的另外兩個(gè)端口分別接到一個(gè)寬帶光 源和一個(gè)光譜分析儀，寬帶光源的光信號(hào)通過(guò)一個(gè)分路器進(jìn)入帶有光柵的光波導(dǎo)器件中， 帶有光柵的光波導(dǎo)器件的反射信號(hào)，也就是波長(zhǎng)滿足布拉格諧波波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，通 過(guò)分路器到達(dá)光譜分析儀中。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，光波導(dǎo)器件的布拉格諧波波長(zhǎng)也會(huì)發(fā) 生變化，由此可以得到環(huán)境溫度的變化值，這是帶有光柵的光波導(dǎo)器件作為傳感器件的反 射測(cè)量法。帶有光柵的光波導(dǎo)器件作為傳感器件位于被測(cè)的環(huán)境中，如一個(gè)高溫區(qū)，帶有光 柵的光波導(dǎo)器件的兩端都通過(guò)分別和一個(gè)寬帶光源和一個(gè)光譜分析儀通過(guò)光纖連接，寬帶光源的光信號(hào)通過(guò)一個(gè)分路器進(jìn)入帶有光柵的光波導(dǎo)器件中，帶有光柵的光波導(dǎo)器件的透 射信號(hào)，也就是波長(zhǎng)滿足布拉格諧波波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，而其他波長(zhǎng)的光到達(dá)光譜分析 儀中，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，光波導(dǎo)器件的布拉格諧波波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化，由此可以得到環(huán) 境溫度的變化值，這是帶有光柵的光波導(dǎo)器件作為傳感器件的透射測(cè)量法。實(shí)施例1 當(dāng)帶有波導(dǎo)光柵3的光波導(dǎo)基片1成為一個(gè)封裝好的傳感器8制作完成后，一端 與一根普通光纖7或是耐高溫光纖連接起來(lái)，另一端不和光纖連接，封裝好以后做成一個(gè) 傳感器，可以將耐高溫的帶有光柵的光波導(dǎo)器件，如藍(lán)寶石帶有光柵的光波導(dǎo)器件放在高 溫點(diǎn)作為高溫的感應(yīng)器件，離開(kāi)高溫區(qū)有一定的距離處溫度要低一些，就可以用一根普通 光纖7來(lái)傳輸光的信號(hào)，如果是高溫區(qū)，就可以用藍(lán)寶石光纖來(lái)傳輸光信號(hào)。帶有光柵的光 波導(dǎo)器件即封裝好的傳感器8通過(guò)光纖7和一個(gè)光纖耦合器9連接，光纖耦合器9的另外 兩個(gè)端口分別接到一個(gè)寬帶光源10和一個(gè)光譜分析儀11，寬帶光源10的光信號(hào)通過(guò)光纖 耦合器9進(jìn)入帶有光柵的光波導(dǎo)器件即封裝好的傳感器8中，帶有光柵的光波導(dǎo)器件即封 裝好的傳感器8的反射信號(hào)，也就是波長(zhǎng)滿足布拉格諧波波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，通過(guò)光纖 耦合器9到達(dá)光譜分析儀11中，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，光波導(dǎo)器件即封裝好的傳感器8的 布拉格諧波波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化，這是采用反射法來(lái)使用光波導(dǎo)傳感器。實(shí)施例2 如果有光柵的光波導(dǎo)器件的兩端都和光纖耦合連接起來(lái)，光信號(hào)從一根光纖進(jìn) 人，從另一根光纖出來(lái)，這是采用透射式的方法使用帶有光柵的光波導(dǎo)器件的溫度傳感器 件，光纖可以是普通光纖，應(yīng)用在低溫區(qū)，光纖也可以是藍(lán)寶石光纖，應(yīng)用在高溫區(qū)。實(shí)施例3:在一個(gè)帶有線狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)器件的不同位置上寫(xiě)入光柵，每個(gè)位置上的光 柵周期不相同，形成分布式的光纖傳感器系統(tǒng)，可以測(cè)量不同位置的溫度或其他物理量。
權(quán)利要求
一種光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，線狀光波導(dǎo)中有光柵結(jié)構(gòu)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于用耐高溫光學(xué) 材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng) 光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)基片中直接制作出帶有光柵結(jié)構(gòu)的線狀光波導(dǎo)；
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)基片中制作出線狀光波導(dǎo)；第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基 片，在線狀光波導(dǎo)內(nèi)制作出光柵結(jié)構(gòu)。
4.一種光波導(dǎo)傳感器，其特征在于，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材 料構(gòu)成，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，光波導(dǎo)基片的表面還設(shè)置有光柵結(jié)構(gòu)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，制作出線狀光波導(dǎo)； 第二步，在光波導(dǎo)基片的表面制作出光柵結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于在第一步后制作一 個(gè)帶有光柵圖形的光刻板，即用甩膠的方法在光波導(dǎo)基片上涂上一層光刻膠，用光刻的方 法將光刻板上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上的光刻膠上；然后用反應(yīng)離子刻蝕的方法將 光刻膠上的光柵圖形轉(zhuǎn)換到光波導(dǎo)基片上；最后把剩余的光刻膠去掉。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 第一步，用耐高溫材料作光波導(dǎo)基片介質(zhì)，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片中移動(dòng)激光光束或者移動(dòng)光波導(dǎo)基片，制作出線狀光波導(dǎo)；第二步，用激光束經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚后在光波導(dǎo)基片的表面上掃描激光光束或者移動(dòng)光波 導(dǎo)基片，在光波導(dǎo)表面制作出光柵結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3或或5或6或7所述的光波導(dǎo)傳感器的制作方法，其特征在于 制作出的線狀光波導(dǎo)所用激光為飛秒激光；飛秒激光的脈沖寬度小于400飛秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于所用光波導(dǎo)基片介質(zhì)為藍(lán) 寶石或氧化鋯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的光波導(dǎo)傳感器，其特征在于不同周期光柵位于線狀光 波導(dǎo)器件的不同位置，形成分布式的傳感器陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了高溫光波導(dǎo)傳感器件及其制作方法，一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，線狀光波導(dǎo)中有光柵結(jié)構(gòu)，還公開(kāi)了這種結(jié)構(gòu)的幾種制作方法；另一種光波導(dǎo)傳感器，包括如下結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)基片介質(zhì)由耐高溫光學(xué)材料構(gòu)成，在光波導(dǎo)基片上有線狀光波導(dǎo)，光波導(dǎo)基片的表面還設(shè)置有光柵結(jié)構(gòu)，還公開(kāi)了這種結(jié)構(gòu)的幾種制作方法，由于光波導(dǎo)器件是單模的，或只有少數(shù)幾個(gè)模的結(jié)構(gòu)，位于光波導(dǎo)通道上的光柵只有一個(gè)諧波模，或只有少數(shù)幾個(gè)模，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)光波導(dǎo)材料的折射率以及光波導(dǎo)光柵的周期也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量通過(guò)光波導(dǎo)基片上的光波導(dǎo)通道中的光柵的諧波波長(zhǎng)的變化，可以測(cè)量出溫度的變化，由于采用了激光技術(shù)和微電子生產(chǎn)工藝，可以在一片基片上同時(shí)生產(chǎn)出許多個(gè)光波導(dǎo)光柵傳感器件，生產(chǎn)成本低，效率高。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101832792SQ20101017174
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
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