專利名稱：一種用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，屬于光傳感、集成光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于光學(xué)原理的傳感器，包括光纖傳感器和集成光學(xué)傳感器，近年來成為許多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，原因在于這類傳感具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢·抗電磁干擾；·耐化學(xué)腐蝕；·電絕緣性好；·低噪聲，高靈敏度；·便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于用現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測傳感網(wǎng)絡(luò)；·可實(shí)現(xiàn)同時對多種不同物質(zhì)的分析；·適合于易燃易爆環(huán)境下的傳感；·成本低，適合于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
光學(xué)傳感器的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，但直到上世紀(jì)90年代初期，只有少數(shù)光纖傳感器在市場上出現(xiàn)。其原因主要是技術(shù)不成熟，可靠性不高。另外，由于早期的光纖傳感器是小批量生產(chǎn)，相對產(chǎn)品價格較高。上世紀(jì)90年代，更多的光纖傳感器在不斷地商業(yè)化，比如壓力應(yīng)力傳感器、液體流量傳感器、電流電壓傳感器、化學(xué)傳感器、濕度傳感器等。目前世界上已有五百多家企業(yè)生產(chǎn)各類光纖傳感器。
與基于同樣原理的光纖傳感器相比，集成光學(xué)傳感器具有更高的靈敏度，更易實(shí)現(xiàn)小型化和陣列化，更易于批量化生產(chǎn)并因此具有更低的制作成本，而且，在某些方面，集成光學(xué)傳感器具有光纖傳感器不可比擬的優(yōu)勢，比如基于干涉原理的傳感器的制作。
基于倏逝波傳感原理的傳感器是一類重要的集成光學(xué)傳感器。這種傳感器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理是利用在預(yù)先制作的光波導(dǎo)的下包層1和芯層2上制作一層傳感膜3，傳感膜的折射率低于光波導(dǎo)芯層的折射率，作為光波導(dǎo)的上包層。傳感膜與含有待測物質(zhì)的介質(zhì)4相接觸，利用傳感膜3吸附介質(zhì)4中的待測物質(zhì)產(chǎn)生的折射率變化、對倏逝波的吸收、以及倏逝波激發(fā)待測物質(zhì)的熒光效應(yīng)等，對待測物質(zhì)進(jìn)行定性和定量的測試。折射率分布曲線5表示了這種倏逝波傳感器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特征，由于傳感膜3的折射率低于光波導(dǎo)芯層2的折射率，光導(dǎo)波的能量大部分分布在光波導(dǎo)的芯層2，如圖1所示，圖中6是光導(dǎo)波基模模場分布的等強(qiáng)度線。換句話說就是光導(dǎo)波與傳感膜3的相互作用較弱，使傳感器的敏感程度很低。另一方面，傳感器的敏感程度受傳感膜3折射率的影響很大，使傳感器制作的工藝容差很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光導(dǎo)波與待測物質(zhì)的相互作用，提高了傳感器的敏感程度。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是光波導(dǎo)為四層結(jié)構(gòu)，包括預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層和芯層，位于芯層上方的傳感膜，以及位于傳感膜上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)。傳感膜的折射率等于或高于預(yù)先形成的條形芯層的折射率，位于傳感膜上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)的折射率小于傳感膜的折射率；預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層的折射率小于芯層的折射率；構(gòu)成“倒脊型”的復(fù)合光波導(dǎo)。
本發(fā)明具有的有益效果是不同于通常的倏逝波傳感結(jié)構(gòu)，本發(fā)明集成光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)中傳感膜的折射率等于或高于預(yù)先形成的光波導(dǎo)芯層的折射率，在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)中傳播的光導(dǎo)波能量大部分分布在傳感膜中，增強(qiáng)了光導(dǎo)波與待測物質(zhì)的相互作用，提高了傳感器的敏感程度；另一方面，使用這種光波導(dǎo)的傳感器的敏感程度受傳感膜折射率的影響較小，具有較大的工藝容差。


圖1是基于倏逝波傳感原理的集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明所提出的用于集成傳感的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是平板型傳感膜的集成傳感的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是沿光傳播方向端頭帶有楔形區(qū)的傳感膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是沿光傳播方向端頭帶有錐形區(qū)的傳感膜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、是預(yù)先形成的光波導(dǎo)的下包層，2、是預(yù)先形成的光波導(dǎo)的芯層，3、是傳感膜，4、含有待測物質(zhì)的介質(zhì)，5基于倏逝波傳感原理的光波導(dǎo)折射率分布曲線，6、基于倏逝波傳感原理的光波導(dǎo)基模模場分布的等強(qiáng)度線，7、本發(fā)明涉及的復(fù)合光波導(dǎo)折射率分布曲線，8、本發(fā)明涉及的復(fù)合光波導(dǎo)基模模場分布的等強(qiáng)度線，9、楔形區(qū)，10、錐形區(qū)。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，本發(fā)明的光波導(dǎo)為四層結(jié)構(gòu)，包括預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層1和芯層2，位于芯層2上方的傳感膜3，以及位于傳感膜3上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)4；傳感膜3的折射率等于或高于預(yù)先形成的條形芯層2的折射率，位于傳感膜3上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)4的折射率小于傳感膜3的折射率；預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層1的折射率小于芯層2的折射率；構(gòu)成“倒脊型”的復(fù)合光波導(dǎo)。
由于復(fù)合光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)具有上述特性，如圖2中折射率分布曲線7，傳感膜3折射率高于或等于預(yù)先形成的光波導(dǎo)芯層2折射率，復(fù)合光波導(dǎo)中傳感膜3與預(yù)先形成的光波導(dǎo)芯層2構(gòu)成“倒脊型”復(fù)合光波導(dǎo)的芯層。在這種光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓鈱?dǎo)波的能量大部分分布在傳感膜中，如圖2中復(fù)合光波導(dǎo)基模模場分布的等強(qiáng)度線8所示。這種分布特征增強(qiáng)了光導(dǎo)波與傳感膜中待測物質(zhì)的相互作用，使傳感器的敏感程度大大提高。同時，敏感膜折射率在小范圍內(nèi)的變化不會對復(fù)合光波導(dǎo)的敏感程度帶來明顯變化，使傳感器的制作具有更大的工藝容差。
如圖3所示，所述的傳感膜3的形狀為平板形；如圖4所示，所述的傳感膜3沿光傳播方向帶有楔形區(qū)9；如圖5所示，所述的傳感膜沿光傳播方向3帶有10。
所述的光波導(dǎo)的下包層1和光波導(dǎo)的芯層2的材料為二氧化硅、玻璃、聚合物或鈮酸鋰。
所述的傳感膜3為有機(jī)物薄膜、無機(jī)物薄膜或有機(jī)和無機(jī)復(fù)合薄膜。
所述的預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)是單模光波導(dǎo)或多模光波導(dǎo)。
所述的復(fù)合光波導(dǎo)是單模光波導(dǎo)或多模光波導(dǎo)。
所述的傳感膜3厚度在10納米到1毫米之間。
本發(fā)明所述的玻璃光波導(dǎo)制作方法可以通過多種方式實(shí)施，下面一離子交換玻璃基與聚合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)為例說明。
復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的主要制作步驟(1)玻璃基片上離子交換光波導(dǎo)的制備·采用微細(xì)加工工藝在玻璃基片上制作條形光波導(dǎo)的掩膜；·采用熔鹽離子交換工藝制作條形光波導(dǎo)；·對光波導(dǎo)的退火處理(2)玻璃基片上傳感膜的制備采用具有光敏性的聚合物作傳感膜，采用微細(xì)加工工藝獲得所需的形狀和尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于光波導(dǎo)為四層結(jié)構(gòu)，包括預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層(1)和芯層(2)，位于芯層(2)上方的傳感膜(3)，以及位于傳感膜(3)上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)(4)；傳感膜(3)的折射率等于或高于預(yù)先形成的條形芯層(2)的折射率，位于傳感膜(3)上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)(4)的折射率小于傳感膜(3)的折射率；預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層(1)的折射率小于芯層(2)的折射率；構(gòu)成“倒脊型”的復(fù)合光波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的傳感膜(3)的形狀為平板形、沿光傳播方向兩端頭帶有楔形區(qū)(9)或沿光傳播方向兩端頭帶有錐形區(qū)(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的光波導(dǎo)的下包層(1)和光波導(dǎo)的芯層(2)的材料為二氧化硅、玻璃、聚合物或鈮酸鋰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的傳感膜(3)為有機(jī)物薄膜、無機(jī)物薄膜或有機(jī)和無機(jī)復(fù)合薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)是單模光波導(dǎo)或多模光波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的復(fù)合光波導(dǎo)是單模光波導(dǎo)或多模光波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于所述的傳感膜(3)厚度在10納米到1毫米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種用于集成光學(xué)傳感的復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)。光波導(dǎo)為四層結(jié)構(gòu)，包括預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層和芯層，位于芯層上方的傳感膜，以及位于傳感膜上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)。傳感膜的折射率等于或高于預(yù)先形成的條形芯層的折射率，位于傳感膜上方的含有待測物質(zhì)的介質(zhì)的折射率小于傳感膜的折射率；預(yù)先形成的條形光波導(dǎo)的下包層的折射率小于芯層的折射率；構(gòu)成“倒脊型”的復(fù)合光波導(dǎo)。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)中傳播的光導(dǎo)波能量大部分分布在傳感膜中，增強(qiáng)了光導(dǎo)波與待測物質(zhì)的相互作用，提高了傳感器的敏感程度，并具有較大的工藝容差。
文檔編號G02B6/26GK1818727SQ200610049849
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者郝寅雷, 楊建義, 江曉清, 周強(qiáng), 李錫華, 王明華 申請人:浙江大學(xué)