一种光波导传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了高温光波导传感器件及其制作方法，一种光波导传感器，包括如下结构：光波导基片介质由耐高温光学材料构成，在光波导基片上有线状光波导，线状光波导中有光栅结构，还公开了这种结构的几种制作方法；另一种光波导传感器，包括如下结构：光波导基片介质由耐高温光学材料构成，在光波导基片上有线状光波导，光波导基片的表面还设置有光栅结构，还公开了这种结构的几种制作方法，由于光波导器件是单模的，或只有少数几个模的结构，位于光波导通道上的光栅只有一个谐波模，或只有少数几个模，当环境温度变化时光波导材料的折射率以及光波导光栅的周期也会发生变化，通过测量通过光波导基片上的光波导通道中的光栅的谐波波长的变化，可以测量出温度的变化，由于采用了激光技术和微电子生产工艺，可以在一片基片上同时生产出许多个光波导光栅传感器件，生产成本低，效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感
，更具体地说，涉及一种光波导传感器及其制作方 法。
技术介绍
布拉格光纤光栅是一种很好的测量温度、应力等物理量的传感器。当温度、应力等 物理量发生变化时，光纤中的光栅对光学频率的响应也发生了变化，通过测量光纤光栅的 光学频率的响应变化，可以测量出温度、应力等物理量的变化量。光纤光栅传感器具有很好 的特点，如可以分布式、灵敏度很高、可以抗电磁干扰、可以在恶劣的环境下工作等。常规的光纤光栅生产方法是用紫外光，用两束光干涉的方法或是一束光通过相位 掩模板产生两束光在紫外光敏感的光纤芯径上形成光栅。光纤光栅的光学频率响应，也叫 做布拉格频率，是取决于光纤芯径上的光栅的周期以及光纤芯径的有效折射率。用两束 光干涉的方法形成光纤光栅是由美国的GLENN等人在美国专利中提出的，美国专利号为 4，807，950。用相位掩模板米形成光纤光栅的方法是由加拿大的Hill等人在美国专利中提 出的，美国专利号为5，367，588。用紫外光生产光纤光栅有一些缺点，如在高温下光纤光栅容易消失，原因是光纤 芯径中的折射率的调制，或叫做光栅会在高温下消除掉。为了解决这个问题，Askins等人 在公开的美国专利中提出采用脉冲式紫外光来形成光纤光栅(美国专利号5，400，422)，达 到在光纤的芯径上形成永久性的光致折射率变化，使光纤光栅在高温下也不容易消失。事实上在短的高强度紫外光脉冲下，光纤芯径材料会被破坏性的变化，这种光纤 光栅只有在温度达到使光纤材料玻璃转化温度时才会消失，但这种方法也有个缺点，即光 纤的强度比较低，因为光纤芯径材料折射率的变化是破坏性的变化。蓝宝石是一种耐高温材料，蓝宝石的玻璃化的温度达2000度以上，所以有人采用 蓝宝石光纤做高温光纤传感器，但是由于技术的原因，目前世界上还不能生产单模蓝宝石 光纤，只能生产多模蓝宝石光纤，最细的多模蓝宝石光纤芯径为50微米。不像常规的石英 玻璃光纤，多模蓝宝石光纤没有包层和涂覆层；多模蓝宝石光纤不能像常规的光纤传感器 用光纤光栅一样，在单模下运行。美国的Murphy等人在多模蓝宝石光纤的端面上制作法布 里进(F-P)标准具作为高温传感器(美国专利号5，381，229)，因为这种蓝宝石光纤传感器 必须使用宽带光源，所以很难应用波分复用，或时分复用技术，所以这种蓝宝石光纤传感器 不能用于分布式传感器阵列。加拿大的Mihailov等人于提出了使用飞秒激光器在多模蓝宝石光纤上或在锆基 材料波导上制作布拉格光栅结构(美国专利号7，379643)。为了解决多模蓝宝石光纤上制 作布拉格光栅所产生的多个峰值而不容易分辨的问题，Mihailov等人于提出了使用锥度单 模光纤与多模蓝宝石光纤相连接，由于锥度单模光纤的波数V值小于1，可以从多模蓝宝石 光纤中只产生一个谐波模，但这种方法仍然工作在多模光纤的原理上，而且实现起来比较 麻烦。美国通用电气公司的McCarthy等人提出用微电子工艺如光刻和离子刻蚀方法在 光纤上制作变周期微结构光栅，用于同时测量温度、应力、气体的物理参数(美国专利号 7，421162)，在该专利中，他们也提出用紫外光逐点法或金刚石刀在光纤上制作变周期光栅 用于可同时测量多参数的光纤传感器；在该专利中，他们也提出制作变周期蓝宝石光纤光 栅作为传感器件同时测量高温发电机，发动机内部的多个物理参数，由于目前的技术不能 生产单模蓝宝石光纤，该专利也同样会遇到多模蓝宝石光纤上制作布拉格光栅所产生的多 个峰值而不容易分辨的问题。加拿大的Dai等人于提出了使用飞秒激光器在石英玻璃材料， 或其他材料包括蓝 宝石材料波导上制作布拉格光栅结构(美国专利号7，567734)，他们提出使用包层模和布 拉格谐波模来同时测量两种不同的物理参数如温度和应力，或温度和折射率等，实现波导 必须使导波的芯径与衬底材料的折射率有一个差别，这种方法并没有解决如何在蓝宝石材 料制作单模波导的问题。
技术实现思路
为了解决以上的多模蓝宝石光纤上制作布拉格光栅所产生的多个峰值而不容易 分辨的问题，以及其他方法制作高温光纤传感器成本高，效率低等问题，本专利技术提供一种新 型的光波导传感器及其制作方法。本专利技术的技术方案是一种光波导传感器，包括如下结构光波导基片介质由耐高温光学材料构成，在光 波导基片上有线状光波导，线状光波导中有光栅结构。上述光波导传感器的第一种制作方法，用耐高温光学材料作光波导基片介质，用 激光束经过透镜会聚后在光波导基片中移动激光光束或者移动光波导基片，在光波导基片 中直接制作出带有光栅结构的线状光波导；上述光波导传感器的第二种制作方法，包括如下步骤第一步，用耐高温材料作光波导基片介质，用激光束经过透镜会聚后在光波导基 片中移动激光光束或者移动光波导基片，在光波导基片上制作出线状光波导第二步，用激光束经过透镜会聚后在光波导基片中移动激光光束或者移动光波导 基片，在的线状光波导内制作出光栅结构。另一种光波导传感器，包括如下结构光波导基片介质由耐高温光学材料构成，在 光波导基片上有线状光波导，光波导基片的表面还设置有光栅结构。上述光波导传感器的第一种制作方法，包括如下步骤第一步，用耐高温材料作光波导基片介质，用激光束经过透镜会聚后在光波导基 片中移动激光光束或者移动光波导，基片制作出线状光波导；第二步，在光波导基片的表面制作出光栅结构。在第一步后制作一个带有光栅图形的光刻板，即用甩胶的方法在光波导基片上涂 上一层光刻胶，用光刻的方法将光刻板上的光栅图形转换到光波导基片上的光刻胶上；然 后用反应离子刻蚀的方法将光刻胶上的光栅图形转换到光波导基片上；最后把剩余的光刻 胶去掉。上述光波导传感器的第二种制作方法，包括如下步骤第一步，用耐高温材料作光波导基片介质，用激光束经过透镜会聚后在光波导基 片中移动激光光束或者移动光波导基片，制作出线状光波导；第二步，用激光束经过透镜会聚后在光波导基片的表而上扫描激光光束或者移动 光波导基片，在光波导表面制作出光栅结构。制作出的线状光波导所用激光为飞秒激光；飞秒激光的脉冲宽度小于400飞秒。所用光波导基片介质为蓝宝石，氧化锆。不同周期光栅位于线状光波导器件的不同位置，形成分布式的传感器阵列。有益效果本专利技术公开了高温光波导传感器件的类型之一是由耐高温的光学材料 做成的光波导的基片上带有光栅结构的线状光波导，高温光波导传感器件的类型之二是由 耐高温的光学材料做成的光波导的基片中有线状光波导而光波导基片的表面刻有光栅结 构以及两种光波导传感器件的制作方法。由于光波导器件是单模的，或只有少数几个模的 结构，位于光波导通道上的光栅只有一个谐波模，或只有少数几个模，当环境温度变化时光 波导材料的折射率以及光波导光栅的周期也会发生变化，通过测量通过光波导基片上的光 波导通道中的光栅的谐波波长的变化，可以测量出温度的变化，由于采用了激光技术和微 电子生产工艺，可以在一片基片上同时生产出许多个光波导光栅传感器件，生产成本低，效 率高。附图说明图1为线状光波导中带有光栅结构的光波导传感器件；图2为光栅结构的本身形成线状光波导的光波导传感器件；图3为光波导基片中有带有线状光波导，光波导基片表面有光栅的结构示意图；图4表而为台阶形的光波导的基片，带有线状光波导的光波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光波导传感器，其特征在于，包括如下结构：光波导基片介质由耐高温光学材料构成，在光波导基片上有线状光波导，线状光波导中有光栅结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙品，
申请(专利权)人：无锡光芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]