一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，包括基底、下包層、上包層、芯層；下包層設(shè)置在基底的上表面；芯層設(shè)置在下包層的上表面；芯層上表面以及芯層周側(cè)的下包層上表面均與有上包層的下表面貼合；布拉格光柵設(shè)置在芯層的下表面，布拉格光柵與芯層構(gòu)成波導(dǎo)布拉格光柵；挖空上包層中心區(qū)域形成凹槽，并且該中心區(qū)域覆蓋波導(dǎo)布拉格光柵的區(qū)域；凹槽中設(shè)置有待測(cè)液體，待測(cè)液體與凹槽中的芯層接觸；芯層的一端作為輸入光波導(dǎo)，另一端作為輸出光波導(dǎo)。通過(guò)檢測(cè)波導(dǎo)布拉格光柵中心波長(zhǎng)的偏移量實(shí)現(xiàn)折射率傳感的功能。該傳感器傳感范圍較大、傳感靈敏度高，且加工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、易于集成，在生化傳感領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，屬于集成光學(xué)折射率 傳感器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 波導(dǎo)布拉格光柵是一種帶阻濾波器，決定其中心波長(zhǎng)的波導(dǎo)模式的有效折射率和 光柵周期可以受外界環(huán)境影響，從而通過(guò)檢測(cè)其中心波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)光傳感領(lǐng)域的折射率傳 感、生化傳感、溫度傳感和應(yīng)力傳感。
[0003] 近年來(lái)，隨著集成光學(xué)和生化傳感技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了各種波導(dǎo)光柵折射率 傳感器。常見(jiàn)的波導(dǎo)光柵折射率傳感器類型包括：光纖布拉格光柵折射率傳感器、基于二氧 化娃光波導(dǎo)（planarlightwavecircuit,PLC)的波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器、基于娃基 二氧化娃（SOI)的波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器。光纖布拉格光柵折射率傳感器的芯層和 包層折射率差小，折射率傳感范圍較小，靈敏度也較低，體積也相對(duì)較大，不利于集成；二 氧化硅波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器芯層和包層的折射率差小，折射率傳感范圍較小，靈 敏度也較低，材料和加工成本較高；硅基二氧化硅波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器芯層和包 層折的射率差大，器件插入損耗較大，材料和加工成本很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于聚合物材料的 波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，具有折射率傳感范圍大、靈敏度高的特點(diǎn)。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，包括基底1、下包層2、上包層4、 芯層3 ;所述下包層2設(shè)置在基底1的上表面；所述芯層3設(shè)置在下包層2的上表面；所述 芯層3上表面以及芯層3周側(cè)的下包層2上表面均與上包層4的下表面貼合；所述布拉格 光柵5設(shè)置在芯層3的下表面，所述布拉格光柵5與芯層3構(gòu)成波導(dǎo)布拉格光柵；挖空上包 層4的中心區(qū)域形成凹槽6,并且該中心區(qū)域覆蓋波導(dǎo)布拉格光柵的區(qū)域；所述凹槽6中設(shè) 置有待測(cè)液體，所述待測(cè)液體與凹槽6中的芯層接觸；所述芯層3的一端作為輸入光波導(dǎo) 7,另一端作為輸出光波導(dǎo)8 ;光信號(hào)從輸入波導(dǎo)7中輸入，進(jìn)入波導(dǎo)布拉格光柵結(jié)構(gòu)中與待 測(cè)液體接觸，最后從輸出光波導(dǎo)8輸出。
[0007] 進(jìn)一步的，芯層3的表面寬度小于上、下包層的表面寬度，芯層3的表面長(zhǎng)度與上、 下包層一樣。
[0008] 進(jìn)一步的，下包層2采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物；波導(dǎo)芯層3采用折 射率為1. 6?1. 8的有機(jī)聚合物；上包層4采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物。
[0009] 進(jìn)一步的，布拉格光柵5采用周期性分布的凹凸型皺褶光柵結(jié)構(gòu)。
[0010] 進(jìn)一步的，所述芯層3采用矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0011] 有益效果：本發(fā)明提供的一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器：
[0012] (1)與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的折射率傳感器結(jié)構(gòu)采用聚合物作為器 件材料，波導(dǎo)芯層和包層折射率的選擇靈活，加工工藝簡(jiǎn)單廉價(jià)，材料成本低，從而器件成 本低；采用高折射率差的聚合物材料作為上、下包層和芯層，并使具有波導(dǎo)布拉格光柵的芯 層的兩個(gè)側(cè)面和頂面與待測(cè)液體接觸，可以增大折射率傳感范圍、提高折射率傳感靈敏度； 器件具有體積小、重量輕、成本低和易于集成的優(yōu)點(diǎn)。
[0013] (2)布拉格光柵5米用周期性分布的凹凸型皺裙光柵結(jié)構(gòu)，易于通過(guò)微加工工藝 制備。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的頂面俯視圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中中心處的正面剖視圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中中心處的側(cè)面剖視圖。
[0017]圖4為本發(fā)明器件在不同折射率液體中的透射光譜示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明器件的透射光譜中心波長(zhǎng)與外界液體折射率的關(guān)系示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明器件的折射率傳感靈敏度與外界液體折射率的關(guān)系示意圖。
[0020] 圖中有：基底1，下包層2,芯層3,上包層4,布拉格光柵5,凹槽6,輸入光波導(dǎo)7， 輸出光波導(dǎo)8。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022] 圖1是本發(fā)明的一種聚合物集成波導(dǎo)光柵折射率傳感器的具體實(shí)施示意圖。
[0023] -種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，包括基底1、下包層2、上包層4、 芯層3 ;所述下包層2設(shè)置在基底1的上表面；所述芯層3設(shè)置在下包層2的上表面；所述 芯層3上表面以及芯層3周側(cè)的下包層2上表面均與上包層4的下表面貼合；所述布拉格 光柵5設(shè)置在芯層3的下表面，所述布拉格光柵5與芯層3構(gòu)成波導(dǎo)布拉格光柵；挖空上包 層4的中心區(qū)域形成凹槽6,并且該中心區(qū)域覆蓋波導(dǎo)布拉格光柵的區(qū)域；所述凹槽6中設(shè) 置有待測(cè)液體，所述待測(cè)液體與凹槽6中的芯層接觸；所述芯層3的一端作為輸入光波導(dǎo) 7,另一端作為輸出光波導(dǎo)8 ;光信號(hào)從輸入波導(dǎo)7中輸入，進(jìn)入波導(dǎo)布拉格光柵結(jié)構(gòu)中與待 測(cè)液體接觸，最后從輸出光波導(dǎo)8輸出。
[0024] 進(jìn)一步的，芯層3的表面寬度小于上、下包層的表面寬度，芯層3的表面長(zhǎng)度與上、 下包層一樣。
[0025] 進(jìn)一步的，下包層2采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物，如聚氟化丙烯酸 月旨，氟化聚甲基丙烯酸甲脂等；芯層3采用折射率為1. 6?1. 8的有機(jī)聚合物，如聚砜，聚酰 亞胺等；上包層4采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物，如聚氟化丙烯酸脂，氟化聚甲 基丙烯酸甲脂等。
[0026] 進(jìn)一步的，布拉格光柵5采用周期性分布的凹凸型皺褶光柵結(jié)構(gòu)。
[0027]進(jìn)一步的，芯層（3)采用矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0028] 因?yàn)榫酆衔锊▽?dǎo)布拉格光柵的折射率傳感范圍是：上、下包層折射率〈待測(cè)液體 折射率〈芯層折射率，而聚合物材料的折射率范圍一般在1. 3?1. 8之間，因此為了增大折 射率傳感范圍，上下包層采用低折射率材料，芯層采用高折射率材料。下包層2采用折射率 為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物，波導(dǎo)芯層3采用折射率為1. 6?1. 8的有機(jī)聚合物，上包層 4采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物。
[0029] 因?yàn)榘纪剐桶欛薰鈻沤Y(jié)構(gòu)易于通過(guò)微加工工藝制備，所以布拉格光柵5采用周期 性分布的凹凸型皺褶光柵結(jié)構(gòu)。
[0030] 為了增加波導(dǎo)布拉格光柵與待測(cè)液體的接觸面積，從而提高折射率傳感靈敏度， 芯層采用矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0031] 凹槽中的芯層的兩個(gè)側(cè)面和上表面裸露，并與待測(cè)液體接觸，從而構(gòu)成折射率傳 感窗口。
[0032] 本發(fā)明的聚合物集成波導(dǎo)光柵折射率傳感器采用折射率差高的聚合物材料作為 光上、下包層和芯層。外界待測(cè)液體折射率的變化可以改變波導(dǎo)布拉格光柵模式的有效折 射率，從而使波導(dǎo)布拉格光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過(guò)檢測(cè)其中心波長(zhǎng)的偏移量，并結(jié)合 標(biāo)定的折射率與波導(dǎo)布拉格光柵中心波長(zhǎng)偏移量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體折射率的傳感。
[0033] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的聚合物集成波導(dǎo)光柵折射率傳感器具體的工作原理如下：寬光譜 光信號(hào)從輸入波導(dǎo)7中輸入，進(jìn)入波導(dǎo)布拉格光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域中，與待測(cè)液體接觸，當(dāng)液體的 折射率發(fā)生變化時(shí)，波導(dǎo)布拉格光柵區(qū)的波導(dǎo)有效折射率nrff就會(huì)相應(yīng)改變，而波導(dǎo)布拉格 光柵的中心波長(zhǎng)λB由以下光柵方程決定：
[0034] λΒ = 2XneffXA(I)
[0035] 其中nrff為波導(dǎo)布拉格光柵的模式有效折射率，Λ為光柵周期。式（1)表明，當(dāng)待 測(cè)液體的折射率變化導(dǎo)致的波導(dǎo)布拉格光柵模式有效折射率nrff變化，從而使波導(dǎo)布拉格 光柵的中心波長(zhǎng)λB發(fā)生偏移。
[0036] 圖4是待測(cè)液體折射率發(fā)生變化時(shí)，聚合物波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器的透射 光譜圖，圖中不同中心波長(zhǎng)處的透射光譜分別對(duì)應(yīng)不同的待測(cè)液體折射率，通過(guò)檢測(cè)中心 波長(zhǎng)λΒ的偏移量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體折射率的傳感。根據(jù)光波導(dǎo)導(dǎo)模傳播條件可知， 待測(cè)液體的折射率必須小于光波導(dǎo)芯層3的材料折射率，相比于平面光波導(dǎo)PLC和光纖（η =1. 446)布拉格光柵，我們采用高折射率聚合物材料（折射率η= 1. 6?1. 8)作為波導(dǎo) 芯層3,可以增大折射率傳感范圍。本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的凹槽中的芯層的頂面和兩個(gè)側(cè)面都裸露 于待測(cè)液體中，可以最大程度增加布拉格波導(dǎo)光柵與待測(cè)液體的接觸面積，從而提高折射 率傳感靈敏度。
[0037] 以下是本發(fā)明聚合物集成波導(dǎo)光柵傳感器結(jié)構(gòu)的一種典型實(shí)例：
[0038] 下包層2和上包層4的材料選用紫外固化聚合物材料ZPU44,其在1550nm波長(zhǎng)附 近的折射率為1. 44,芯層3選用聚砜聚合物材料，其在1550nm波長(zhǎng)附近的折射率為1. 6。選 擇1550nm?1650nm波長(zhǎng)的寬光譜光作為入射光信號(hào)，器件的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 :
[0039] 表1器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，其特征在于：包括基底（I)、下包層 (2)、上包層（4)、芯層（3);所述下包層（2)設(shè)置在基底（1)的上表面；所述芯層（3)設(shè)置 在下包層（2)的上表面；所述芯層（3)上表面以及芯層（3)周側(cè)的下包層（2)上表面均與 上包層（4)的下表面貼合；所述布拉格光柵（5)設(shè)置在芯層（3)的下表面，所述布拉格光 柵（5)與芯層（3)構(gòu)成波導(dǎo)布拉格光柵；挖空上包層（4)的中心區(qū)域形成凹槽（6)，并且該 中心區(qū)域覆蓋波導(dǎo)布拉格光柵的區(qū)域；所述凹槽￠)中設(shè)置有待測(cè)液體，所述待測(cè)液體與 凹槽（6)中的芯層接觸；所述芯層（3)的一端作為輸入光波導(dǎo)（7)，另一端作為輸出光波導(dǎo) (8);光信號(hào)從輸入波導(dǎo)（7)中輸入，進(jìn)入波導(dǎo)布拉格光柵結(jié)構(gòu)中與待測(cè)液體接觸，最后從 輸出光波導(dǎo)（8)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，其特征在 于：芯層（3)的表面寬度小于上、下包層的表面寬度，芯層（3)的表面長(zhǎng)度與上、下包層一 樣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，其特征在 于：下包層（2)采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物；波導(dǎo)芯層（3)采用折射率為 1. 6?1. 8的有機(jī)聚合物；上包層（4)采用折射率為1. 35?1. 45的有機(jī)聚合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，其特征在 于：布拉格光柵（5)米用周期性分布的凹凸型皺裙光柵結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合物集成波導(dǎo)布拉格光柵折射率傳感器，其特征在 于：所述芯層（3)采用矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK104316996SQ201410609744
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】惲斌峰, 胡國(guó)華, 張若虎, 鐘嫄, 崔一平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)