專利名稱：基于微彎傳輸波導的馬赫－曾德干涉型傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感裝置，尤其涉及一種基于微彎傳輸波導的馬赫-曾德干涉型傳感裝置。
背景技術：
馬赫-曾德(M-Z)干涉儀由兩個3dB耦合器和兩個波導臂組成，其基本結構為一對平行光波導，波導兩端分別連接一個3dB的Y形分束器。通過改變折射率，使光程相應變化，形成相干增強或相消。利用馬赫-曾德(M-Z)干涉裝置進行傳感，就是將其中一臂暴露在環境中，隨著外界參量的變化，如溫度、濃度、變形、應力等的變化，改變了該臂傳輸光的有效折射率，使得輸出光的干涉結果產生變化，從而達到探測外界環境參量的目的。集成光學型的馬赫-曾德(M-Z)干涉裝置在化學和生物傳感方面擁有越來越多的應用，具有設計制造簡單、生產誤差要求低等優點。
現有的馬赫-曾德(M-Z)干涉傳感器存在靈敏度不高的問題。外界參量變化引起的有效折射率的改變一般很小，雖然采用MZ干涉的方法，可以探測到這種變化，但其精度和靈敏度都不夠高。
發明內容
為了能提高對環境折射率變化的靈敏度，本發明的目的是提供一種基于微彎傳輸波導的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，將傳統的直波導結構用彎折的傳輸波導代替，使傳輸光的有效折射率對環境變化更為敏感。
為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是其輸入光波導的一端與激光光源連接，輸入光波導的另一端與第一耦合器的一端連接，第一耦合器的另一端分別接彎折的傳感光波導臂和彎折的參考光波導臂的一端，彎折的傳感光波導臂和彎折的參考光波導臂的另一端接第二耦合器的一端，第二耦合器的另一端接輸出光波導，彎折的傳感光波導臂的外側裝有傳感樣品池，彎折的參考光波導臂的外側裝有標準樣品池，整個裝置在基板上。
本發明具有的有益的效果是由于使用了彎折的傳輸波導，使更多的光能量進入探測區中待探測物質中傳播，使得環境物質的折射率對傳輸光的有效折射率的貢獻權重提高，因此對探測區折射率的變化更為敏感；并且，采用專業的設計軟件，對微彎結構的重要參數幅值和周期進行優化設計，可以大幅度提高傳感裝置對環境參量變化的靈敏度，提高測量結果的信噪比。同時在參考臂一側放置了標準樣品，使得在傳感臂和參考臂中傳輸的光具有相近的損耗和相位變化，可進一步提高探測的靈敏度。
圖1是本發明的結構原理圖；圖2是不同形狀微彎結構的歸一化光強輸出；圖3是固定微彎結構周期不變時，幅值變化對敏感度的影響；圖4是固定微彎結構振幅為2.5um，其周期變化對敏感度的影響；圖5是典型直波導結構和本發明的結構的對比。
圖中1、輸入光波導，2、5.3dB耦合器，3.傳感光波導臂，4.傳感樣品池，6.輸出光波導，7.參考光波導臂，8.標準樣品池，9.基板。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的輸入光波導1的一端與激光光源連接，輸入光波導1的另一端與第一耦合器2的一端連接，第一耦合器2的另一端分別接彎折的傳感光波導臂3和彎折的參考光波導臂7的一端，彎折的傳感光波導臂3和彎折的參考光波導臂7的另一端接第二耦合器5的一端，第二耦合器5的另一端接輸出光波導6，彎折的傳感光波導臂3的外側裝有傳感樣品池4，彎折的參考光波導臂7的外側裝有標準樣品池8，整個裝置在基板9上。
所說的彎折的傳感光波導臂3和彎折的參考光波導臂7，其彎折曲線為正弦曲線或三角曲線或圓錐曲線。
光源發出的光通過輸入光波導1，經過一個3dB耦合器2分為相位相同、幅值相等的兩束光，一路進入彎折的傳感光波導臂3，一路進入彎折的參考光波導臂7。在傳感光波導臂3中傳輸的光，其有效折射率隨著傳感樣品池4內待分析物質折射率的變化而產生明顯的變化，從而改變了在這一路中傳輸的光的強度和相位，使得光在通過傳感光波導臂3后帶上了待分析物質的信息。而在參考光波導臂7中傳輸的光保持在預先設計的強度和相位。兩束光通過第二個3dB耦合器5，耦合成一束光，形成干涉結果，然后由輸出光波導6輸出，最后可由光電探測裝置接收，所以由輸出光波導6輸出的光強將隨著傳感樣品池4內待分析物質折射率的變化而改變。為了進一步提高探測的靈敏度，在參考光波導臂7一側也放置一個與傳感樣品池4結構相同的標準樣品池8，放置經過標定的標準樣品，可以使在參考光波導臂7傳輸的光與在傳感光波導臂3中傳輸的光產生相當的強度和相位的變化，使得從兩臂輸出的光更接近，以提高相干靈敏度。
根據優化設計的參數制作光刻的掩模板，在玻璃基板上利用光刻將圖形轉移到金屬掩模上，通過如離子交換工藝制成設計的特定結構的波導。刻蝕出探測區的腔體和參考樣品池，分別放置待分析的物質(液體或氣體)和經過標定的標準樣品。
經過三維有限差分光束傳輸法(3D-FDBPM)的模擬，可以證實當樣品的折射率在一定范圍內時，彎折波導構成的MZ干涉儀比直波導構成的MZ干涉儀有更高的靈敏度。模擬中使用的是脊形的玻璃離子交換波導，波導襯底折射率nb＝1.5151，Δn＝0.008，樣品折射率取值范圍為1.3-1.46。
如圖2所示為不同形狀微彎結構的歸一化光強輸出，由圖2可見，在微彎結構部分采用正弦曲線的形狀時，與其它彎曲曲線進行對比，對應于相同的折射率變化時，其輸出光強的變化量最大(如實線所示)。
如圖3所示為固定微彎結構周期不變時，幅值變化對敏感度的影響，由圖3可見，微彎結構確定為正弦曲線形狀，其正弦幅值越大，敏感度越高，但是此時損耗也會隨著增大。
如圖4所示為固定微彎結構振幅為2.5um，其周期變化對敏感度的影響，由圖4可見，微彎結構確定為正弦曲線形狀，在微彎部分的周期變化時，敏感度并不是與周期的變化呈線性關系的，不是“周期越短，敏感度越高”的簡單關系。
如圖5所示為典型直波導結構和本發明的結構對比，由圖5可見，當環境折射率在1.30到1.46范圍內變化時，彎折波導構成的MZ干涉儀比直波導構成的MZ干涉儀有更高的靈敏度。經過參數優化以后，新穎微彎結構MZ干涉儀的靈敏度比傳統結構提高了1倍多。所以，本發明的結構的優越性是很明顯的。
權利要求
1.一種基于微彎傳輸波導的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，其特征在于輸入光波導(1)的一端與激光光源連接，輸入光波導(1)的另一端與第一耦合器(2)的一端連接，第一耦合器(2)的另一端分別接彎折的傳感光波導臂(3)和彎折的參考光波導臂(7)的一端，彎折的傳感光波導臂(3)和彎折的參考光波導臂(7)的另一端接第二耦合器(5)的一端，第二耦合器(5)的另一端接輸出光波導(6)，彎折的傳感光波導臂(3)的外側裝有傳感樣品池(4)，彎折的參考光波導臂(7)的外側裝有標準樣品池(8)，整個裝置在基板(9)上。
2.根據權利要求1所述的一種基于微彎傳輸波導的馬赫-曾德干涉型傳感裝置，其特征在于所說的彎折的傳感光波導臂(3)和彎折的參考光波導臂(7)，其彎折曲線為正弦曲線或三角曲線或圓錐曲線。
全文摘要
本發明公開了一種基于微彎傳輸波導的馬赫－曾德干涉型傳感裝置。輸入光波導的一端與激光光源連接，其另一端與第一耦合器的一端連接后，分別接彎折的傳感光波導臂和彎折的參考光波導臂的一端，再經第二耦合器接輸出光波導，傳感光波導臂的外側裝有傳感樣品池，參考光波導臂的外側裝有標準樣品池。由于使用了彎折的傳輸波導，使更多的光能量進入探測區中待探測物質中傳播，對探測區折射率的變化更為敏感；采用軟件，對微彎結構的重要參數，幅值和周期進行優化設計，大幅度提高傳感裝置對環境參量變化的靈敏度和信噪比。在參考臂一側放置了標準樣品，在傳感臂和參考臂中傳輸的光具有相近的損耗和相位變化，可進一步提高探測的靈敏度。
文檔編號G02B6/26GK1544966SQ20031010857
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月11日 優先權日2003年11月11日
發明者邸岳淼, 何賽靈 申請人:浙江大學