一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器的製作方法
2023-09-22 01:25:40
專利名稱：一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域，具體涉及一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器。
背景技術：
由於半導體工業，尤其是矽基加工 技術的飛速發展，工作在通訊波段的納米量級精度、釐米量級尺寸的器件已經成為可能。娃-絕緣體(silicon-on-insulator, SOI)這種物質體系非常適合被動器件的集成並且有可能成為未來矽基工業的主流發展方向。在過去的這些年中，許多SOI器件已經被實現，它們包括分束器、濾波器、調製器和傳感器等等。而這些器件都是基於不同的波導體系，其中令人矚目的就是槽型波導。槽型波導可以將光束縛在低折射率的材料中。就是由於槽型波導的這種對光的束縛性質導致其有較大的雙折射，這種性質也得到了一定的應用，例如，光學延遲線、非線性位相匹配等等。並且由於這種奇特的性質，槽型波導也被研究者們應用到其他物質體系中，例如光纖、氮化矽/ 二氧化矽混合體系。另一方面，包含有高雙折射光纖的環路鏡是光纖通訊和傳感的研究熱點。它們被廣泛應用于波分復用器、摻鉺光纖放大器的增益平坦化、多波長雷射器、色散剪裁、光纖陀螺、應力和溫度傳感等等領域。
發明內容
本發明提出了一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，通過將環路鏡和槽型波導結合，可以獲得極高的雙折射。為了實現上述發明目的，本發明採用的技術方案如下
一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，由襯底層和波導層組成，波導層包括輸入端、光纖環路鏡和輸出端，所述光纖環路鏡由定向耦合器和與定向耦合器兩輸出埠連接的波導環組成；所述波導環由脊型波導和槽型波導連接構成；通過所述輸入端的光經過定向耦合器分成兩路光進入所述波導環，所述兩路光經過波導環的槽型波導後偏振發生旋轉，並再次通過定向I禹合器後，一部分光被輸出端接收。進一步地，所述定向稱合器對信號的稱合係數為50:50。進一步地，所述襯底層的材料為二氧化矽或者氟化鎂的低折射率材料，所述波導層為矽或鈮酸鋰的高折射率材料。進一步地，所述槽型波導的槽型區域的長度為幾十到幾百微米。進一步地，所述傳感器的工作波段為C+L通訊波段，其測量的折射率範圍為1-3，被測量的物體為氣體或者液體。本發明通過將高雙折射的槽型波導集成在環路鏡中，形成了折射率靈敏度高達ioWriu的傳感器。與現有技術相比，本發明的顯著優點是(I)所形成的傳感器具有極高的雙折射，達到io'可以大大減小傳感器的尺寸；(2)相比於單純利用消逝場的折射率傳感器，該器件靈敏度高ー個數量級；(3)可利用傳統的矽基光刻エ藝批量生產該傳感器，製作成本低廉。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做更進一歩的具體說明，以使本發明的優點得以清楚展現。圖I為本發明基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器的示意圖。圖2為理論計算的槽型波導的截面示意圖和光場圖。圖3為不同槽寬和槽高情況下，本發明的槽型波導在(a)空氣和(b)水中的雙摺 射。圖4為不同槽寬和槽高情況下，本發明的槽型波導在(a)空氣和(b)水中的折射率傳感靈敏度。
具體實施例方式本發明的傳感器結構不意圖如圖I所不端ロ A為光的輸入端,端ロ B為光的輸出端，襯底層採用ニ氧化矽材料，波導層材料採用矽。通過端ロ A輸入的光經過路徑I進入50:50的定向耦合器，分別有50%的光經由路徑3 (順時針)和路徑4 (逆時針)進入環路鏡。這兩路光經過槽型波導區域後偏振發生旋轉並再次經由路徑3和路徑4通過定向耦合器後部分光通過路徑2被端ロ B接收。槽型波導的槽型區域的長度L可以為幾十到幾百微米。圖2為用有限元方法計算的槽型波導準橫電基模的光場分布圖，具體參數為槽寬=50nm,槽深=400nm,脊寬=200nm,計算波長為1550nm,白色箭頭指示了偏振方向。圖3為用有限元方法計算的槽型波導在不同槽寬和槽深下的雙折射，雙折射為槽型波導準橫磁基模與準橫電基模的有效折射率之差，計算波長為1550nm。圖4為用有限元方法計算的槽型波導在不同槽寬和槽深下的靈敏度，所用計算公式為
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的折射率，B為雙折射。本發明提出了ー種利用微光纖製作新型高雙折射器件的方法。該傳感器的槽型波導具有很高的雙折射(KT1量級)並且利用其雙折射獲得的靈敏度比單純利用消逝場獲得的靈敏度高ー個數量級，達到了 103nm/RIU量級。該高雙折射器件在物聯網、光纖傳感、集成光學等領域有著廣泛的應用。
權利要求
1.一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，該傳感器由襯底層和波導層組成，波導層包括輸入端、光纖環路鏡和輸出端，所述光纖環路鏡由定向耦合器和與定向耦合器兩輸出埠連接的波導環組成；所述波導環由脊型波導和槽型波導連接構成；通過所述輸入端的光經過定向耦合器分成兩路光進入所述波導環，所述兩路光經過波導環的槽型波導後偏振發生旋轉，並再次通過定向耦合器後，一部分光被輸出端接收。
2.根據權利要求I所述的一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，所述定向稱合器對信號的稱合係數為50:50。
3.根據權利要求2所述的一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，所述襯底層的材料為二氧化矽或者氟化鎂的低折射率材料，所述波導層為矽或鈮酸鋰的高折射率材料。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，所述槽型波導的槽型區域的長度為幾十到幾百微米。
5.根據權利要求4所述的一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，所述傳感器的工作波段為C+L通訊波段。
6.根據權利要求5所述的一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器，其特徵在於，所述傳感器測量的折射率範圍為1-3，其測量的物體為氣體或者液體。
全文摘要
本發明公開了一種基於環路鏡的槽型波導折射率傳感器。具體為將一個具有高雙折射率的槽型波導加入到一個環路鏡中，通過輸入端的光經過定向耦合器分成兩路光進入波導環，兩路光經過波導環的槽型波導後偏振發生旋轉，並再次通過定向耦合器後，一部分光被輸出端接收。本發明的傳感器可以利用不同偏振光對外界折射率的不同響應來測量物體的折射率，具有非常高的靈敏度(103nm/RIU)，並且結構簡單、緊湊，可以使用傳統的光刻手段製作。
文檔編號G01N21/41GK102798613SQ20121032514
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者徐飛, 寇君龍, 陸延青, 胡偉 申請人:南京大學