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1、(10)申请公布号 CN 104316996 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104316996 A (21)申请号 201410609744.3 (22)申请日 2014.11.03 G02B 6/124(2006.01) G01N 21/41(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 211189 江苏省南京市江宁区东南大学 路 2 号 (72)发明人 恽斌峰 胡国华 张若虎 钟嫄 崔一平 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32249 代理人 杨晓玲 (54) 发明名称 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感 器 (57) 摘要 本。
2、发明公开了一种聚合物集成波导布拉格 光栅折射率传感器， 包括基底、 下包层、 上包层、 芯层 ； 下包层设置在基底的上表面 ； 芯层设置在 下包层的上表面 ； 芯层上表面以及芯层周侧的下 包层上表面均与有上包层的下表面贴合 ； 布拉格 光栅设置在芯层的下表面， 布拉格光栅与芯层构 成波导布拉格光栅 ； 挖空上包层中心区域形成凹 槽， 并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域 ； 凹槽中设置有待测液体， 待测液体与凹槽中的芯 层接触 ； 芯层的一端作为输入光波导， 另一端作 为输出光波导。通过检测波导布拉格光栅中心波 长的偏移量实现折射率传感的功能。该传感器传 感范围较大、 传感灵敏度高， 且加工。
3、工艺简单、 成 本低廉、 易于集成， 在生化传感领域有广泛的应用 前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104316996 A CN 104316996 A 1/1 页 2 1. 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 其特征在于 ： 包括基底 (1)、 下包层 (2)、 上包层 (4)、 芯层 (3) ； 所述下包层 (2) 设置在基底 (1) 的上表面 ； 所述芯层 (3) 设置 在下包层 (2) 的上表面 ； 所述芯层。
4、 (3) 上表面以及芯层 (3) 周侧的下包层 (2) 上表面均与 上包层 (4) 的下表面贴合 ； 所述布拉格光栅 (5) 设置在芯层 (3) 的下表面， 所述布拉格光 栅 (5) 与芯层 (3) 构成波导布拉格光栅 ； 挖空上包层 (4) 的中心区域形成凹槽 (6)， 并且该 中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域 ； 所述凹槽 (6) 中设置有待测液体， 所述待测液体与 凹槽 (6) 中的芯层接触 ； 所述芯层 (3) 的一端作为输入光波导 (7)， 另一端作为输出光波导 (8) ； 光信号从输入波导 (7) 中输入， 进入波导布拉格光栅结构中与待测液体接触， 最后从 输出光波导 (8) 输出。
5、。 2. 根据权利要求 1 所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 其特征在 于 ： 芯层 (3) 的表面宽度小于上、 下包层的表面宽度， 芯层 (3) 的表面长度与上、 下包层一 样。 3. 根据权利要求 1 所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 其特征在 于 ： 下包层 (2) 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物 ； 波导芯层 (3) 采用折射率为 1.6 1.8 的有机聚合物 ； 上包层 (4) 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物。 4. 根据权利要求 1 所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 其特征在 于 ： 布拉格光栅 (5)。
6、 采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。 5. 根据权利要求 1 所述的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 其特征在 于 ： 所述芯层 (3) 采用矩形光波导结构。 权 利 要 求 书 CN 104316996 A 2 1/4 页 3 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器 技术领域 0001 本发明涉及一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 属于集成光学折射率 传感器领域。 背景技术 0002 波导布拉格光栅是一种带阻滤波器， 决定其中心波长的波导模式的有效折射率和 光栅周期可以受外界环境影响， 从而通过检测其中心波长可以实现光传感领域的折射率传 感、 生化传感、 温度传感和应力。
7、传感。 0003 近年来， 随着集成光学和生化传感技术的发展， 已经出现了各种波导光栅折射率 传感器。 常见的波导光栅折射率传感器类型包括 ： 光纤布拉格光栅折射率传感器、 基于二氧 化硅光波导(planar lightwave circuit,PLC)的波导布拉格光栅折射率传感器、 基于硅基 二氧化硅 (SOI) 的波导布拉格光栅折射率传感器。光纤布拉格光栅折射率传感器的芯层和 包层折射率差小， 折射率传感范围较小 , 灵敏度也较低， 体积也相对较大， 不利于集成 ； 二 氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包层的折射率差小， 折射率传感范围较小 , 灵 敏度也较低， 材料和加工成本较高 。
8、； 硅基二氧化硅波导布拉格光栅折射率传感器芯层和包 层折的射率差大， 器件插入损耗较大， 材料和加工成本很高。 发明内容 0004 发明目的 ： 为了克服现有技术中存在的不足， 本发明提供一种基于聚合物材料的 波导布拉格光栅折射率传感器， 具有折射率传感范围大、 灵敏度高的特点。 0005 技术方案 ： 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案为 ： 0006 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 包括基底 1、 下包层 2、 上包层 4、 芯层 3 ； 所述下包层 2 设置在基底 1 的上表面 ； 所述芯层 3 设置在下包层 2 的上表面 ； 所述 芯层 3 上表面以及芯层 3 周侧的下。
9、包层 2 上表面均与上包层 4 的下表面贴合 ； 所述布拉格 光栅 5 设置在芯层 3 的下表面， 所述布拉格光栅 5 与芯层 3 构成波导布拉格光栅 ； 挖空上包 层 4 的中心区域形成凹槽 6， 并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域 ； 所述凹槽 6 中设 置有待测液体， 所述待测液体与凹槽 6 中的芯层接触 ； 所述芯层 3 的一端作为输入光波导 7， 另一端作为输出光波导 8 ； 光信号从输入波导 7 中输入， 进入波导布拉格光栅结构中与待 测液体接触， 最后从输出光波导 8 输出。 0007 进一步的， 芯层3的表面宽度小于上、 下包层的表面宽度， 芯层3的表面长度与上、 下包层一。
10、样。 0008 进一步的， 下包层 2 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物 ； 波导芯层 3 采用折 射率为 1.6 1.8 的有机聚合物 ； 上包层 4 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物。 0009 进一步的， 布拉格光栅 5 采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。 0010 进一步的， 所述芯层 3 采用矩形光波导结构。 0011 有益效果 ： 本发明提供的一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器 ： 说 明 书 CN 104316996 A 3 2/4 页 4 0012 (1) 与现有技术相比， 采用本发明所设计的折射率传感器结构采用聚合物作为器 件材料， 波导芯。
11、层和包层折射率的选择灵活， 加工工艺简单廉价， 材料成本低， 从而器件成 本低 ； 采用高折射率差的聚合物材料作为上、 下包层和芯层， 并使具有波导布拉格光栅的芯 层的两个侧面和顶面与待测液体接触， 可以增大折射率传感范围、 提高折射率传感灵敏度 ； 器件具有体积小、 重量轻、 成本低和易于集成的优点。 0013 (2) 布拉格光栅 5 采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构， 易于通过微加工工艺 制备。 附图说明 0014 图 1 为本发明器件结构的顶面俯视图。 0015 图 2 为本发明器件结构中中心处的正面剖视图。 0016 图 3 为本发明器件结构中中心处的侧面剖视图。 0017 图 4 。
12、为本发明器件在不同折射率液体中的透射光谱示意图。 0018 图 5 为本发明器件的透射光谱中心波长与外界液体折射率的关系示意图。 0019 图 6 为本发明器件的折射率传感灵敏度与外界液体折射率的关系示意图。 0020 图中有 ： 基底 1， 下包层 2， 芯层 3， 上包层 4， 布拉格光栅 5， 凹槽 6， 输入光波导 7， 输出光波导 8。 具体实施方式 0021 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 0022 图 1 是本发明的一种聚合物集成波导光栅折射率传感器的具体实施示意图。 0023 一种聚合物集成波导布拉格光栅折射率传感器， 包括基底 1、 下包层 2、 上包层 4、 芯层 。
13、3 ； 所述下包层 2 设置在基底 1 的上表面 ； 所述芯层 3 设置在下包层 2 的上表面 ； 所述 芯层 3 上表面以及芯层 3 周侧的下包层 2 上表面均与上包层 4 的下表面贴合 ； 所述布拉格 光栅 5 设置在芯层 3 的下表面， 所述布拉格光栅 5 与芯层 3 构成波导布拉格光栅 ； 挖空上包 层 4 的中心区域形成凹槽 6， 并且该中心区域覆盖波导布拉格光栅的区域 ； 所述凹槽 6 中设 置有待测液体， 所述待测液体与凹槽 6 中的芯层接触 ； 所述芯层 3 的一端作为输入光波导 7， 另一端作为输出光波导 8 ； 光信号从输入波导 7 中输入， 进入波导布拉格光栅结构中与待 。
14、测液体接触， 最后从输出光波导 8 输出。 0024 进一步的， 芯层3的表面宽度小于上、 下包层的表面宽度， 芯层3的表面长度与上、 下包层一样。 0025 进一步的， 下包层 2 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物， 如聚氟化丙烯酸 脂， 氟化聚甲基丙烯酸甲脂等 ； 芯层3采用折射率为1.61.8的有机聚合物， 如聚砜， 聚酰 亚胺等 ； 上包层 4 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物， 如聚氟化丙烯酸脂， 氟化聚甲 基丙烯酸甲脂等。 0026 进一步的， 布拉格光栅 5 采用周期性分布的凹凸型皱褶光栅结构。 0027 进一步的， 芯层 (3) 采用矩形光波导结构。。
15、 0028 因为聚合物波导布拉格光栅的折射率传感范围是 ： 上、 下包层折射率 待测液体 折射率 芯层折射率， 而聚合物材料的折射率范围一般在 1.3 1.8 之间， 因此为了增大折 说 明 书 CN 104316996 A 4 3/4 页 5 射率传感范围， 上下包层采用低折射率材料， 芯层采用高折射率材料。下包层 2 采用折射率 为 1.35 1.45 的有机聚合物， 波导芯层 3 采用折射率为 1.6 1.8 的有机聚合物， 上包层 4 采用折射率为 1.35 1.45 的有机聚合物。 0029 因为凹凸型皱褶光栅结构易于通过微加工工艺制备， 所以布拉格光栅 5 采用周期 性分布的凹凸型。
16、皱褶光栅结构。 0030 为了增加波导布拉格光栅与待测液体的接触面积， 从而提高折射率传感灵敏度， 芯层采用矩形光波导结构。 0031 凹槽中的芯层的两个侧面和上表面裸露， 并与待测液体接触， 从而构成折射率传 感窗口。 0032 本发明的聚合物集成波导光栅折射率传感器采用折射率差高的聚合物材料作为 光上、 下包层和芯层。外界待测液体折射率的变化可以改变波导布拉格光栅模式的有效折 射率， 从而使波导布拉格光栅的中心波长发生偏移， 通过检测其中心波长的偏移量， 并结合 标定的折射率与波导布拉格光栅中心波长偏移量的关系， 实现对待测液体折射率的传感。 0033 本发明所设计的聚合物集成波导光栅折射。
17、率传感器具体的工作原理如下 ： 宽光谱 光信号从输入波导 7 中输入， 进入波导布拉格光栅结构区域中， 与待测液体接触， 当液体的 折射率发生变化时， 波导布拉格光栅区的波导有效折射率neff就会相应改变， 而波导布拉格 光栅的中心波长 B由以下光栅方程决定 ： 0034 B 2neff (1) 0035 其中 neff为波导布拉格光栅的模式有效折射率， 为光栅周期。式 (1) 表明， 当待 测液体的折射率变化导致的波导布拉格光栅模式有效折射率 neff变化， 从而使波导布拉格 光栅的中心波长 B发生偏移。 0036 图 4 是待测液体折射率发生变化时， 聚合物波导布拉格光栅折射率传感器的透射。
18、 光谱图， 图中不同中心波长处的透射光谱分别对应不同的待测液体折射率， 通过检测中心 波长 B的偏移量就可以实现对待测液体折射率的传感。根据光波导导模传播条件可知， 待测液体的折射率必须小于光波导芯层 3 的材料折射率， 相比于平面光波导 PLC 和光纤 (n 1.446) 布拉格光栅， 我们采用高折射率聚合物材料 ( 折射率 n 1.6 1.8) 作为波导 芯层3， 可以增大折射率传感范围。 本发明结构中的凹槽中的芯层的顶面和两个侧面都裸露 于待测液体中， 可以最大程度增加布拉格波导光栅与待测液体的接触面积， 从而提高折射 率传感灵敏度。 0037 以下是本发明聚合物集成波导光栅传感器结构的。
19、一种典型实例 ： 0038 下包层 2 和上包层 4 的材料选用紫外固化聚合物材料 ZPU44， 其在 1550nm 波长附 近的折射率为1.44， 芯层3选用聚砜聚合物材料， 其在1550nm波长附近的折射率为1.6。 选 择 1550nm 1650nm 波长的宽光谱光作为入射光信号， 器件的具体结构参数如表 1 ： 0039 表 1 器件的结构参数 0040 设计参量名称参量值 0中心波长1550nm 1650nm 说 明 书 CN 104316996 A 5 4/4 页 6 ncladd上、 下包层材料折射率1.44 Hb下包层厚度10m Ht上包层厚度10m ncore芯层材料折射率1。
20、.6 w芯层的宽度1m h芯层的高度1.5m 波导布拉格光栅周期533nm hg布拉格光栅高度100nm L波导布拉格光栅长度1cm 0041 0042 根据上述器件参数， 采用传输矩阵法对该聚合物波导布拉格光栅折射率传感器进 行分析， 得到的待测溶液折射率与波导布拉格光栅中心波长的关系如图 5 所示。从结果可 以看出在不同的待测溶液环境中， 聚合物波导布拉格光栅传输光谱的中心波长发生了偏 移， 并且外界折射率越大， 中心波长偏移量就越大， 结合标定的折射率与中心波长的关系， 就可以通过检测中心波长偏移量对外界折射率进行传感。 0043 图6是根据图(5)得到的聚合物波导布拉格光栅折射率传感灵。
21、敏度与待测液体折 射率的关系图， 从图中可以看出， 折射率传感灵敏度随着待测溶液折射率增大而提高， 折射 率传感范围为1.31.54， 最大的折射率传感灵敏度约为680nm/RIU， 优于传统的基于SiO2 的波导布拉格光栅折射率传感器。 通常的光纤布拉格光栅折射率传感器需要去除光纤包层 从而使光纤容易断裂难于封装， 而且折射率传感范围较小 (1.3 1.45)， 并且光纤布拉格 光栅折射率传感器尺寸较大， 不能集成 ； 同样基于SiO2的波导布拉格光栅折射率传感器， 折 射率传感范围较小 (1.3 1.45)， 制作工艺复杂， 成本较高 ； 基于 Si 的波导布拉格光栅折 射率传感器插入损耗。
22、大， 制备工艺复杂， 成本高。 本发明提出的聚合物波导布拉格光栅折射 率传感器不但可以实现较大范围的高灵敏度折射率传感， 并且材料廉价， 制备工艺简单， 易 于集成， 可以大大降低器件成本。 0044 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出 ： 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104316996 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104316996 A 7 2/2 页 8 图 4图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104316996 A 8 。