專利名稱：基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳感器技術領域，特別是涉及基于非對稱干涉臂馬赫曾德(Mach-Zehnder)干涉儀型傳感器。
背景技術：
隨著現代測量、控制和自動化技術的發展，傳感器在各個領域中的作用日益顯著，并成為決定系統質量的關鍵性器件。傳感器主要是將各種非電量(包括物理量、化學量、生物量等)轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量的裝置。光波具有強大的傳遞信息和處理信息的能力，并且各種光電探測設備(如光電二級管、功率計、光譜儀等)應用普遍，故而光波常被作為信息載體而成為過渡物理量。作為傳感器的一個重要分支，近年來光學傳感器發展迅猛，集成光波導傳感器是光學傳感器的一個新的發展方向，它采用類似于半導體集成電路的方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上形成集成光路。集成光波導傳感器繼承了光纖傳感器的優點，而且還更有利于實現多功能集成、緊湊封裝和批量生產，以及擁有小型輕量、穩定可靠、低耗高效等其他結構傳感器無法比擬的優勢，在環境保護、生命科學、航天航空領域得到廣泛的應用。
馬赫-曾德干涉儀則是最易于實現的波導干涉儀方案。馬赫-曾德干涉儀傳感器不但克服了表面等離子波傳感器和光柵耦合儀傳感器在向未來高度集成化、微型化方向發展中所受到的限制，易于實現陣列化和多信道同時檢測，而且最重要的是它在獲取高靈敏度方面一直被認為是最具發展潛力的一種結構類型。傳統的馬赫-曾德干涉儀由兩個3dB耦合器和兩個波導臂組成，通常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，從而改變光的相位，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。在實際制作時，通常需要在其中一個臂或者兩個臂上都刻蝕出樣品槽，從制作工藝角度來將需要套刻工藝，給實際制作帶來不便。

發明內容
本實用新型的目的在于提供兩個干涉臂采用不同寬度的波導結構的基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器。
本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是
依次包括輸入波導，1×2光功分器、兩個非對稱馬赫曾德臂、2×1合波器，輸出波導連接而成。
所述的兩個非對稱馬赫曾德臂其中一個臂由傳感臂的輸入錐形波導、寬度大于輸入波導寬度的寬直波導、傳感臂的輸出錐形波導連接而成，另一個臂由與輸入波導一樣寬度的直波導、參考臂的輸入錐形波導、參考臂的輸出錐形波導連接而成。
所述的傳感臂的輸入錐形波導和參考臂的輸入錐形波導結構和長度相同，傳感臂的輸出錐形波導和參考臂的輸入錐形波導結構和長度相同，寬直波導和直波導長度相同。
所述的1×2光功分器，2×1合波器為多模干涉波導結構、Y分支結構或者方向耦合器結構。
所述的波導結構均為脊形光波導結構。
本實用新型具有的有益的效果是1.無需刻蝕液體槽，在制作時不需要用到套刻工藝，使工藝簡化，制作成本大大減小；2.馬赫-曾德兩個臂的錐形波導采用相同的結構，使得由于錐形引入的損耗和相位的變化可以相互抵消，從而使相位只是由于波導的寬度的變化引起；3.通過選取兩個臂的直波導部分的寬度比可以使整個器件在尺寸未增加的前提下的靈敏度達到很高；4.測量時只需要將整個結構置于待測液體中，而無要精確控制液體不外溢。


圖1本實用新型非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器示意圖；圖2本實用新型脊形光波導截面示意圖；圖3非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器輸出能量變化隨折射率變化示意圖。
圖中1、輸入波導，2、1×2光功分器，3、傳感臂的輸入錐形波導，4、寬直波導，5、傳感臂的輸出錐形波導，6、直波導，7、參考臂的輸入錐形波導，8、參考臂的輸出錐形波導，9、2×1合波器，10、輸出波導。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型依次包括輸入波導1，1×2光功分器2、兩個非對稱馬赫曾德臂、2×1合波器9，輸出波導10連接而成。
所述的兩個非對稱馬赫曾德臂其中一個臂由傳感臂的輸入錐形波導3、寬度大于輸入波導1寬度的寬直波導4、傳感臂的輸出錐形波5連接而成，另一個臂由與輸入波導一樣寬度的直波導6、參考臂的輸入錐形波導7、參考臂的輸出錐形波導8連接而成。
所述的傳感臂的輸入錐形波導3和參考臂的輸入錐形波導7結構和長度相同，傳感臂的輸出錐形波導5和參考臂的輸入錐形波導8結構和長度相同，寬直波導4和直波導6長度相同。
所述的1×2光功分器2，2×1合波器9為多模干涉波導結構、Y分支結構或者方向耦合器結構。
所述的波導結構均為脊形光波導結構。
首先需要確定構成整個非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器的脊型光波導的基本結構，使得光波在波導里的傳播滿足單模傳輸條件，同時要有足夠大的彎曲半徑，綜合以上分析，選取脊形光波導(如圖2所示)寬度Wr＝4μm，脊高hr＝2.0μm，SiO2芯層厚度h1＝6μm，SiO2芯層折射率n1＝1.4588，SiO2下包層厚度h2＝8μm，下包層折射率n2＝1.4471，計算波長λ＝1.55μm。采用簡單的Y分支結構為實施例子，就應該考慮到在分口處留有最小的允許間距(一般是2μm)，以防止因為空氣隙引入的損耗。但是如果采用淺刻蝕結構，比如本實用新型中所取的刻蝕深度只有2μm左右，那么空氣隙對損耗的影響很微弱，可以忽略不計。
采用非對稱結構的設計，馬赫曾德干涉儀的兩條干涉臂采用兩種寬度的波導結構，由寬度不同使得兩臂對外界折射率變化引起的傳播常數變化不一樣，從而在輸出處產生干涉，引起輸出光強的變化。在刻蝕深度為2μm時，兩臂的波導寬度分別選取為4μm和6μm，以保證單模傳輸。由于其余部分的波導寬度仍然為4μm，因此必須引入錐形結構(圖1中(3)和(5)所示)連接6μm的波導臂與其他部分。錐形結構的引入使得馬赫曾德干涉儀的一個臂的相位發生變化，為了消除由于錐形結構引入的相位變化，本實用新型在馬赫-曾德干涉儀的另一個臂上引入結構與傳感臂的輸入錐形波導3和傳感臂的輸出錐形波導5相同的參考臂的輸入錐形波7和參考臂的輸出錐形波導8。這樣的結構能夠保證由于錐形結構而引入的相位變化相互抵消，整個傳感器的相位變化只由于兩個臂的寬度變化而引入，給設計和制作帶來便利。這樣的非對稱設計，無需刻蝕液體槽，在制作時不需要用到套刻工藝，使工藝簡化，制作成本大大減小。
利用3DBPM可以模擬出光場在整個結構傳播的情況。為了兼顧傳感器的量程和靈敏度，傳感器干涉臂的長度選取為942.57μm，錐形的長度取為1000μm。在輸入光場在Y分支光功分器2處分成兩路，分別在兩個臂中傳播，由于兩個臂的傳播常數不一樣，當光場到達Y分支光合波器9時發生干涉，從輸出波導10輸出的光場由兩個臂的相位差決定，而兩個臂的相位差又與外界的折射率相關，因此可以通過測量輸出光場的強度來測量外界的折射率。圖4是非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器輸出能量變化隨折射率變化示意圖，從圖中可以看出，輸出能量與外界折射率相對應，整個結構可以實現傳感器的功能。
權利要求1.基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器，其特征在于依次包括輸入波導(1)，1×2光功分器(2)、兩個非對稱馬赫曾德臂、2×1合波器(9)，輸出波導(10)連接而成。
2.根據權利要求1所述的基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器，其特征在于所述的兩個非對稱馬赫曾德臂其中一個臂由傳感臂的輸入錐形波導(3)、寬度大于輸入波導(1)寬度的寬直波導(4)、傳感臂的輸出錐形波導(5)連接而成，另一個臂由與輸入波導一樣寬度的直波導(6)、參考臂的輸入錐形波導(7)、參考臂的輸出錐形波導(8)連接而成。
3.根據權利要求2所述的基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器，其特征在于所述的傳感臂的輸入錐形波導(3)和參考臂的輸入錐形波導(7)結構和長度相同，傳感臂的輸出錐形波導(5)和參考臂的輸入錐形波導(8)結構和長度相同，寬直波導(4)和直波導(6)長度相同。
4.根據權利要求1所述的基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器，其特征在于所述的1×2光功分器(2)，2×1合波器(9)為多模干涉波導結構、Y分支結構或者方向耦合器結構。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器，其特征在于所述的波導結構均為脊形光波導結構。
專利摘要本實用新型公開了基于非對稱干涉臂馬赫曾德干涉儀型傳感器。依次包括輸入波導，1×2光功分器、兩個非對稱馬赫曾德臂、2×1合波器，輸出波導連接而成。本實用新型的馬赫曾德干涉儀的兩個臂—參考臂和測量臂分別采用兩種寬度不同的波導，波導采用脊型光波導結構，待測液體作為光波導的覆蓋層，待測液體折射率的變化引起的參考臂和測量臂的相位變化不等，從而在輸出端引起干涉。通過測量最終的輸出能量，可以測量響應的折射率變化。本實用新型采用非對稱馬赫曾德臂直接引入相位差，無需刻蝕液體槽，大大簡化工藝難度，無需套刻工藝，同時擁有與傳統馬赫曾德型傳感器比擬的特性。
文檔編號G01D5/26GK2842378SQ20052001398
公開日2006年11月29日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者孫淼, 何賽靈, 時堯成, 戴道鋅 申請人:浙江大學