基于表面等離激元的波導磁場/電流傳感器及其裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及磁場檢測領域，更具體地，涉及一種基于表面等離激元的波導磁場/ 電流傳感器及其裝置。
【背景技術】
[0002] 磁場強度作為一個基本的物理量，不管是在科學研究領域，還是工業應用領域都 被人們所重視著。磁場的測量可廣泛應用于航空航天、信息存儲、環境監測、導航和能源調 查等。傳統的電磁傳感器通常缺乏穩定性，同時難以與其它的結構集成，且不能在污染嚴重 或惡劣的環境下工作。另一方面，由于結構緊湊、高精度、高分辨率的光纖結構已廣泛應用 于很多領域。因此，基于MF作為敏感材料的光纖磁場傳感正在持續的被關注。然而這些使 用磁流體作為覆層的特殊光纖或特殊光纖結構的磁場/電流傳感器件的結構尺寸還是很 大。
[0003] 而過去幾十年里，表面等離子體傳感器一一種基于倏逝波的傳感器得到了廣泛地 研究。在集成光學領域，人們已經設計出幾種基于表面等離子體檢測技術的傳感器，這些 傳感器都是將很薄的金屬層置于集成的光波導體系上層，使其成為與傳感層直接接觸的平 臺。但是，這些基于表面等離子體的傳感器都是由低折射率對比的介質材料制成的，因此， 光波導體和光學器件的經典尺寸太大以至于不能進一步小型集成化，因而不能應用到實驗 芯片的研究中。
[0004] 目前表面等離子體探測的研究熱點是將表面等離子體激發原理和集成光波導結 合在一起，由于檢測的是表面等離子體透射的光譜信號，因此可以把表面等離子體傳感器 的敏感部分縮小到光波導尺寸，使整個光路限制在光波導中傳輸。光波導表面等離子體傳 感器具有下述優點：1)可以將測量空間縮小到光波導寬度尺寸的數量級；2)使傳感器避免 受光源波動等外界條件影響。這為實現傳感器陣列、光學集成提供了可靠的基礎實現條件， 同時通過優化結構設計，可以獲得更高的探測靈敏度，且能夠利用集成制造工藝使生產實 現規模化，降低生產成本。
【發明內容】
[0005] 本發明為解決以上現有技術的不足，提供了一種基于表面等離激元的波導磁場/ 電流傳感器，用于對磁場強度或電流強度進行檢測，該磁場/電流傳感器將測量空間縮小 到光波導寬度尺寸的數量級，且能夠使傳感器避免受光源波動等外界條件影響。所以磁場 /電流傳感器的尺寸小，方便技術人員進行小型集成化，同時還具有探測靈敏度高的優點。
[0006] 為實現以上發明目的，采用的技術方案是：
[0007] -種基于表面等離激元的波導磁場/電流傳感器，包括磁場發生器和安裝在磁場 發生器內的從上到下依次設置的第一金屬波導、電介質通道和第二金屬波導，其中第一金 屬波導和/或第二金屬波導內開設有諧振腔，諧振腔通過開設在相應金屬波導上的金屬縫 與電介質通道連通，諧振腔內填充有磁敏感物質。
[0008] 在使用本發明提供的磁場/電流傳感器時，先將寬帶光源和光譜儀分別與磁場/ 電流傳感器的輸入端和輸出端連接起來，其中寬帶光源用于發出激發光，即待檢測的光，激 發光的波長范圍為可見紅到近紅外波段，光譜儀用于觀測透射譜的諧振波長。
[0009] 上述方案中，使用磁場/電流傳感器對磁場強度進行檢測時，首先使激發光通過 電介質通道進入磁場/電流傳感器，在激發光入射在電介質通道與第一金屬波導、第二金 屬波導的接觸界面的條件下，接觸界面會產生表面等離激元，并生成表面等離子波。在第一 金屬波導、第二金屬波導內均開設有諧振腔時，電介質通道與第一金屬波導接觸界面生成 的表面等離子波進入開設在第一金屬波導內的諧振腔，而電介質通道與第二金屬波導接觸 界面生成的表面等離子波進入開設在第二金屬波導內的諧振腔；在第一金屬波導內開設有 諧振腔而第二金屬波導沒有開設諧振腔時，電介質通道與第一金屬波導接觸界面生成的表 面等離子波進入開設在第一金屬波導內的諧振腔，而電介質通道與第二金屬波導接觸界面 生成的表面等離子波經界面反射后進入第一金屬波導的諧振腔內。當滿足諧振條件時，表 面等離子波會在諧振腔中諧振。此時通過磁場發生器使傳感器內部會產生垂直于激發光傳 播方向的磁場，并通過控制磁場發生器使傳感器內部的磁場強度處于變化的狀態下。在不 同的磁場強度下，諧振腔內的磁敏感物質的折射率改變，這導致諧振腔產生的駐波諧振波 長發生改變，因此使用光譜儀觀測到的透射譜的諧振波長也會產生漂移，根據透射譜的諧 振波長漂移的情況，即獲知激發光的磁場強度。而使用磁場/電流傳感器對電流強度進行 檢測的原理及步驟同上。
[0010] 由上可知，本發明提供的磁場/電流傳感器將測量空間縮小到光波導寬度尺寸的 數量級，因此磁場/電流傳感器的尺寸可以做到很小，方便技術人員進行集成化和陣列化， 同時能夠使傳感器避免受光源波動等外界條件影響，所以該磁場/電流傳感器還具有探測 靈敏度高的優點。
[0011] 優選地，所述第一金屬波導、第二金屬波導均為銀薄膜。
[0012] 優選地，所述第一金屬波導、第二金屬波導的寬度為60~160nm。
[0013] 優選地，所述金屬波導上開設的金屬縫的寬度為10~50nm。
[0014] 優選地，所述電介質通道為空氣通道。
[0015] 優選地，所述電介質通道的寬度為20~60nm。
[0016] 優選地，所述磁敏感物質為磁流體。
[0017] 優選地，所述諧振腔通過聚焦離子束或者電子束光刻結合干法刻蝕的方法開設而 成。諧振腔內部填充磁流體，磁流體的材料為水基Fe304,并密封好。在不同磁場下，諧振腔 內磁流體的折射率改變，導致透射譜的諧振波長產生漂移。
[0018] 優選地，所述諧振腔的長度為350~600nm，寬度為40~100nm。
[0019] 同時本發明還提供了一種應用上述磁場/電流傳感器的裝置，包括寬帶光源、第 一光纖鏈路、磁場/電流傳感器、第二光纖鏈路和光譜儀，其中寬帶光源通過第一光纖鏈路 與磁場/電流傳感器的輸入端連接，磁場/電流傳感器的輸出端通過第二光纖鏈路與光譜 儀連接。
[0020] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0021] 1)磁場/電流傳感器將測量空間縮小到光波導寬度尺寸的數量級，因此磁場/電 流傳感器的尺寸可以做到很小，方便技術人員進行集成化和陣列化；
[0022] 2)由于磁場/電流傳感器能夠避免受光源波動等外界條件影響，所以具有探測靈 敏度高的優點。
【附圖說明】
[0023] 圖1為磁場/電流傳感器的軸向剖面示意圖。
[0024] 圖2為裝置的結構示意圖。
[0025] 圖3為磁流體折射率隨磁場強度變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本發明的限制；
[0027] 以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的闡述。
[0028] 實施例1
[0029] 如圖1、圖2所示，基于表面等離激元的波導磁場/電流傳感器1，包括磁場發生器 11和安裝在磁場發生器11內的從上到下依次設置的第一金屬波導12、電介質通道13和第 二金屬波導14,其中第一金屬波導12、第二金屬波導14內均開設有諧振腔15;兩個諧振腔 15分別通過開設在第一金屬波導12、第二金屬波導14上的金屬縫與電介質通道13連通， 諧振腔15內填充有磁敏感物質。其中所述磁場發生器11包括位于頂部的第一極板111和 位于底部的第二極板112。
[0030] 本實施例中，第一金屬波導12、第二金屬波導14均為銀薄膜，第一金屬波導12、第 二金屬