一种波导微腔马赫-曾德干涉型折射率传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种波导微腔马赫

【技术实现步骤摘要】
一种波导微腔马赫
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曾德干涉型折射率传感器的制备方法


[0001]本专利技术属于光学传感领域，特别是涉及一种超高灵敏度波导马赫
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曾德传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]波导微腔马赫
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曾德型折射率传感器通常是将波导的部分区域刻蚀成微腔，并将波导的基模功率一分为二，分别在微腔和剩余波导中进行传输而形成的传感器。当两部分信号在波导出射端重新汇合后，即可形成干涉。当采用宽谱光源作为入射信号时，一旦微腔中的液体折射率发生变化，出射端的透射光谱即发生峰位的漂移，从而可以实现折射率传感功能。
[0003]目前，微腔型马赫
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曾德传感器已经广泛用于光纤传感，其折射率灵敏度较高，通常高于微纳光纤传感器、光纤F
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P腔传感器等常见干涉型传感器。然而，传统微腔马赫
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曾德传感器仍然存在一些缺点，主要表现为：1. 由于光纤纤芯处于微腔的底部，通常难以保证该位置微腔的侧壁陡直并具有较低表面粗糙度，因此透射谱的消光比及品质因子难以保证；2. 由于两路信号的功率比严重依赖于槽的深度及底部形貌，因此消光比的调节较为困难，器件制备的可重复性较差；3. 由于干涉原理的限制，该类传感器的折射率灵敏度基本取决于波导材料及液体的折射率，无法进一步提升；4. 在光纤纤芯附近开槽通常会导致光纤的机械性能大幅下降，变得易碎易断。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种新的微腔马赫
‑r/>曾德干涉型传感器的设计及制备方法。该方案所涉及的传感器结构可以集成到平面波导器件及光纤中，相对于传统微腔马赫
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曾德传感器，具有更高的灵敏度，其制备也更为简单，所制备的器件具有更好的机械强度及工艺容差。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种波导微腔马赫
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曾德干涉型折射率传感器的制备方法，步骤如下：采用飞秒激光刻写技术，在透明基底材料中刻写波导和微腔，所述波导由直线型波导与分支直线波导构成；所述微腔横截面覆盖分支直线波导模场；所述直线型波导需保持结构完整，与微腔无空间交叠。
[0006]优先方案：当透明基底材料替换为单模光纤时，无需额外刻写直线型波导。
[0007]优选方案：所述分支直线波导由前端桥接波导、分支直线波导、后端桥接波导三部分构成，其中分支直线波导的走向平行于直线型波导，前端桥接波导与后端桥接波导用于连接直线型波导和分支直线波导。
[0008]优选方案：所述分支直线波导的两端桥连区为S型弯曲波导结构或直线形波导结构。
[0009]上述制备方法获得的马赫
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曾德干涉器在制备光纤传感器方面的应用。
[0010]与现有技术相比，本专利技术能达到的有益效果是：1、用于液体折射率传感时，可以获得相较于传统微腔型马赫
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曾德传感器更高的探测灵敏度；2、本专利技术中，由于微腔完全贯穿分支波导，波导（或光纤）模式能量将穿过微腔相对陡直的侧壁，并远离微腔底部，因此对于微腔的深度不需要做精确控制，具有较好的工艺容差及重复性，另外，也容易获得更低的损耗及更大的干涉消光比3、当该结构用于光纤时，所需微腔的刻蚀深度较小（30 μm以内），而传统微腔需要的刻蚀深度约为62 μm，因此可以减小对光纤机械性能的破坏，使整个光纤传感器结构更加稳固，不易断裂。
附图说明
[0011]图1为本专利技术的超高敏微腔马赫
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曾德传感器的结构示意图；图2为本专利技术的超高敏微腔马赫
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曾德传感器预期效果（透射光谱），该结果是采用双光束干涉理论得到；图3为无芯光纤中微腔马赫
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曾德干涉型传感器结构示意图；其中：1. 透明衬底材料；2. 直线型波导；3. 前端桥接波导；4. 分支直线波导；5.后端桥接波导；6. 微腔；7. 单模光纤；8.光纤纤芯。
具体实施方式
[0012]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0013]实施例1石英玻璃基底中微腔马赫
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曾德干涉型传感器的制备方法：步骤A：将石英玻璃切割成10（x）
×
10（y）
×
2（z） mm的基片，并对两个的xz平面及两个xy平面进行光学抛光；步骤B：利用飞秒激光刻写技术，在石英玻璃基底材料表面刻写微腔6，微腔尺寸为：z向深度110 μm，y向腔长度150 μm，x向腔宽度30 μm；所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为200 kHz；脉冲能量为0. 6 μJ；扫描速度为200 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.75；步骤C：利用10% HF水溶液腐蚀飞秒激光刻写的微腔区域，化学腐蚀条件为：常温，HF溶液浸泡石英玻璃10分钟，并辅助超声震荡；步骤D：利用飞秒激光刻写技术，刻写一条直线型波导2及分支波导（包含前端桥接波导3、分支直线波导4及后端桥接波导5）结构；其中，所有波导均位于表面下80 μm深度，直线型波导2及分支直线波导4均沿y方向延伸，并令分支直线波导4被微腔6截断；分支直线波导4与直线型波导2的间距为140 μm，两桥接波导与直线型波导2间的夹角为2
°
，分支直线波导4的长度为500 μm；飞秒激光刻写参数为：中心波长520 nm；重复频率500 kHz；脉冲能量130 nJ；扫描速度200 μm/s；显微物镜采用数值孔径为1.25的油浸物镜。
[0014]实施例2单模光纤中微腔马赫
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曾德干涉型传感器的制备方法：步骤A：将一段直径为125 μm的单模石英光纤剥除涂覆层并对表面进行清洁处理；步骤B：利用飞秒激光刻写技术，在单模光纤包层表面刻写微腔6，微腔尺寸为：z向深度30 μm，y向腔长度150 μm，x向腔宽度30 μm；所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为200 kHz；脉冲能量为0. 6 μJ；扫描速度为200 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.75；步骤C：利用10% HF水溶液腐蚀飞秒激光刻写的微腔区域，化学腐蚀条件为：常温，HF溶液浸泡光纤5分钟，并辅助超声震荡；步骤D：利用飞秒激光刻写技术，刻写分支波导（包含前端桥接波导3、分支直线波导4及后端桥接波导5）结构；其中，分支直线波导4沿y方向延伸，并令分支直线波导4被微腔6截断；分支直线波导4与光纤纤芯的间距为40 μm，两桥接波导与光纤纤芯间的夹角为2
°
，分支直线波导4的长度为1000 μm；飞秒激光刻写参数为：中心波长520 nm；重复频率500 kHz；脉冲能量130 nJ；扫描速度200 μm/s；显微物镜采用数值孔径为1.25的油浸物镜。
[0015]实施例3如图3所示，无芯光纤中微腔马赫
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波导微腔马赫
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曾德干涉型折射率传感器的制备方法，其特征在于：步骤如下：采用飞秒激光刻写技术，在透明基底材料中刻写波导和微腔，所述波导由直线型波导与分支直线波导构成；所述微腔横截面覆盖分支直线波导模场；所述直线型波导需保持结构完整，与微腔无空间交叠。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当透明基底材料替换为单模光纤时，无需额外刻写直线型波导。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马海俐，徐堃，玄成聪，姚一村，王明红，白成林，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：