一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导制造技术

本发明专利技术公开了一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导。包括下包层、条形限制区和传感层；在传感层从下至上依次设置平板形限制区和上包层；条形限制区折射率大于下包层的折射率；平板形限制区的折射率大于上包层的折射率；传感层折射率小于条形限制区和平板形限制区的折射率。本发明专利技术通过引入垂直于基片方向上的狭缝波导结构，与传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器相比，增强了光导波与传感层的相互作用，提高了传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制作高灵敏度传感器光波导，具体涉及一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导。
技术介绍
基于光学的传感器主要包括光纤传感器和集成光学传感器，它们具有的优势是 良好的稳定性、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强、可以同时实现对多种物质 的分析、便于集成于光通信网中以及适于低成本大规模制造。 光纤传感器的研究最早始于上世纪70年代，但由于制造技术的限制，直到上世纪 90年代初，也只有少数光纤传感器在市场上出现。同时，早期的光纤传感器只是小批量生 产，相对产品价格较高。20世纪90年代后，随着各种光纤制造技术的成熟，更多的光纤传感 器在不断地商业化，比如压力应力传感器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、 湿度传感器等。目前世界上已有五百多家企业生产各类光纤传感器。 与基于同样原理的光纤传感器相比，集成光学传感器具有更高的灵敏度，更易实 现小型化和阵列化，更易于批量化生产并因此具有更低的制作成本，而且，在某些方面，集 成光学传感器具有光纤传感器不可比拟的优势，比如集成光学传感器可以更方便地制作多 种传感器结构，实现更好的功能。 在各种原理的光学传感器中，基于倏逝波原理的光学传感器是一类重要的传感 器。以倏逝波吸收原理为例，基于集成光学的该传感器的光波导结构如图1、图2所示，包括 光波导的下包层1和条形限制区2，以及传感层3。条形限制区2的折射率高于下包层1和 传感层3的折射率，如倏逝波传感器光波导折射率分布曲线4所示。传感层3的特定成分 的待测物质形成对特定波长的选择吸收，从而可以对待测物质进行定性和定量的测试。由 于传感层3的折射率低于条形限制区2的折射率，光导波的能量大部分分布在条形限制区 2，如图1所示，图中5是倏逝波传感器光波导模场分布曲线。从图中可以传感层3中的光 强很弱，传感器的敏感程度很低。而且，传感器的敏感程度受限于传感层3的折射率，这使 得传感器制作的工艺容差很小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，采用狭缝波导 结构，增强光导波与传感膜的相互作用，提高传感器灵敏度。 本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是 本专利技术包括下包层、条形限制区和传感层；本专利技术在传感层从下至上依次设置平 板形限制区和上包层；条形限制区折射率大于下包层的折射率；平板形限制区的折射率大 于上包层的折射率；传感层折射率小于条形限制区和平板形限制区的折射率。 本专利技术与
技术介绍
相比具有的有益效果是 本专利技术通过引入垂直于基片方向上的狭缝波导结构，与传统的基于倏逝波原理的3集成光学光学传感器相比，增强了光导波与传感层的相互作用，提高了传感器的灵敏度。 这种光波导可以看作是条形光波导与平板光波导的组合，制作工艺简单。附图说明 图1是传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器光波导结构。 图2是对应于图1所示光波导结构的折射率分布曲线和模场分布曲线。 图3是基于狭缝结构的复合光波导集成光学传感器光波导结构。 图4是对应于图3所示光波导结构的折射率分布曲线和模场分布曲线。图中1、下包层；2、条形限制区；3、传感层；4、倏逝波传感器光波导折射率分布曲线；5、倏逝波传感器光波导模场分布曲线；6、平板形限制区；7、上包层；8、复合光波导折射率分布曲线；9、复合光波导的模场分布曲线。具体实施例方式如图3所示，本专利技术包括下包层1、条形限制区2和传感层3 ;本专利技术在传感层3从下至上依次设置平板形限制区6和上包层7 ;条形限制区2折射率大于下包层1的折射率；平板形限制区6的折射率大于上包层7的折射率；传感层3折射率小于条形限制区2和平板形限制区6的折射率。 所述的下包层1、条形限制区2、平板形限制区6和上包层7的材料为二氧化硅、玻璃、光波导聚合物或是硅材料。 如图4所示，复合光波导折射率分布曲线8表示了下包层1、条形限制区2、传感层3、平板形限制区6和上包层7折射率大小的相互关系。从复合光波导的模场分布曲线9可以看出，本专利技术的光波导中传感层3中的光场强于
技术介绍
中的传感层3中的光场，传感器灵敏度得到提高。 这种光波导可以看作是下包层1和条形限制区2组成的条形光波导与平板形限制区6和上包层7组成的平板光波导的叠加。传感层3的材料是待测物质。 本专利技术所述的复合光波导制作方法可以通过多种方式实施，下面以离子交换玻璃基波导构成这种复合光波导的情况为例说明。 传感器复合光波导的主要制作步骤 (1)选择两片双面抛光的含有Na20的硅酸盐玻璃基片(玻璃中Na20重量含量5 25% )，折射率1.4 1.8之间。 (2)第一个玻璃基片上离子交换条波导的制备。 以第一个玻璃基片为上包层l，通过离子交换工艺在玻璃基片上制作条形限制区2。 在第一个玻璃基片表面，采用微细加工工艺制作掩膜，获得条形离子交换窗口。 *将带有掩膜的第一个玻璃基片放入240 56(TC下，含有AgN03的熔盐(AgN03的重量含量O. 1 100% )中，保温2 30分钟。熔盐中的Ag+离子扩散进入玻璃基片，取代玻璃中Na+离子的位置，提高扩散区的折射率，扩散区形成条形限制区2。条形限制区2的折射率高于玻璃基片0. 001 0. 1。 (3)第二个玻璃基片上离子交换平板波导的制备4 将第二个玻璃基片放入240 56(TC下，含有AgN03的熔盐(AgN03的重量含量0. 1 100%)中，保温2 30分钟。熔盐中的八8+离子扩散进入玻璃基片，取代玻璃中化+离子的位置，提高扩散区的折射率，扩散区形成平板形限制区6。平板形限制区6的折射率高于玻璃基片0. 001 0. 1。 (4)在第一个玻璃基片的条形限制区2 —侧制作传感层，用涂敷法或其它方法实现。传感层3的折射率在1. 0 1. 4之间，传感膜厚度在0. 1 1微米之间。 (5)将第二个玻璃基片与第一个玻璃基片组成图3所示的光波导结构。权利要求一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，包括下包层(1)、条形限制区(2)和传感层(3)；其特征在于在传感层(3)从下至上依次设置平板形限制区(6)和上包层(7)；条形限制区(2)折射率大于下包层(1)的折射率；平板形限制区(6)的折射率大于上包层(7)的折射率；传感层(3)折射率小于条形限制区(2)和平板形限制区(6)的折射率。2. 根据权利要求1所述的一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，其特征在于所述的下包层(1)、条形限制区(2)、平板形限制区(6)和上包层(7)的材料为二氧化硅、玻 璃、光波导聚合物或是硅材料。全文摘要本专利技术公开了一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导。包括下包层、条形限制区和传感层；在传感层从下至上依次设置平板形限制区和上包层；条形限制区折射率大于下包层的折射率；平板形限制区的折射率大于上包层的折射率；传感层折射率小于条形限制区和平板形限制区的折射率。本专利技术通过引入垂直于基片方向上的狭缝波导结构，与传统的基于倏逝波原理的集成光学光学传感器相比，增强了光导波与传感层的相互作用，提高了传感器的灵敏度。文档编号G02B6/00GK101776465SQ20101010025公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日专利技术者周强, 李宇波, 李锡华, 杨建义, 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强传感器灵敏度的复合光波导，包括下包层（１）、条形限制区（２）和传感层（３）；其特征在于：在传感层（３）从下至上依次设置平板形限制区（６）和上包层（７）；条形限制区（２）折射率大于下包层（１）的折射率；平板形限制区（６）的折射率大于上包层（７）的折射率；传感层（３）折射率小于条形限制区（２）和平板形限制区（６）的折射率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝寅雷，郑伟伟，谷金辉，李宇波，李锡华，杨建义，江晓清，周强，王明华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]