一种基于非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器

1、一种基于非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器，依次包括输入波导(1)， 1×2光功分器(2)、两个非对称马赫曾德臂、2×1合波器(9)，输出波导(10)连接 而成；其特征在于：所述的两个非对称马赫曾德臂其中一个臂由传感臂的输入 锥形波导(3)、宽度大于输入波导(1)宽度的宽直波导(4)、传感臂的输出锥形波导 (5)连接而成，另一个臂由与输入波导一样宽度的直波导(6)、参考臂的输入锥形 波导(7)、参考臂的输出锥形波导(8)连接而成。
2、根据权利要求1所述的一种基于非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器， 其特征在于：所述的传感臂的输入锥形波导(3)和参考臂的输入锥形波导(7)结构 和长度相同，传感臂的输出锥形波导(5)和参考臂的输入锥形波导(8)结构和长度 相同，宽直波导(4)和直波导(6)长度相同。
3、根据权利要求1所述的一种基于非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器， 其特征在于：所述的1×2光功分器(2)，2×1合波器(9)为多模干涉波导结构、Y 分支结构或者方向耦合器结构。
4、根据权利要求1或2或3所述的一种基于非对称干涉臂马赫曾德干涉仪 型传感器，其特征在于：所述的波导均为脊形光波导结构。

技术领域\n本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于非对称干涉臂马赫曾德 (Mach-Zehnder)干涉仪型传感器。\n背景技术\n随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器在各个领域中的作用日 益显著，并成为决定系统质量的关键性器件。传感器主要是将各种非电量(包 括物理量、化学量、生物量等)转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。 光波具有强大的传递信息和处理信息的能力，并且各种光电探测设备(如光电 二级管、功率计、光谱仪等)应用普遍，故而光波常被作为信息载体而成为过 渡物理量。作为传感器的一个重要分支，近年来光学传感器发展迅猛，集成光 波导传感器是光学传感器的一个新的发展方向，它采用类似于半导体集成电路 的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上形成集成光路。集成光波导 传感器继承了光纤传感器的优点，而且还更有利于实现多功能集成、紧凑封装 和批量生产，以及拥有小型轻量、稳定可靠、低耗高效等其他结构传感器无法 比拟的优势，在环境保护、生命科学、航天航空领域得到广泛的应用。\n马赫-曾德干涉仪则是最易于实现的波导干涉仪方案。马赫-曾德干涉仪传感 器不但克服了表面等离子波传感器和光栅耦合仪传感器在向未来高度集成化、 微型化方向发展中所受到的限制，易于实现阵列化和多信道同时检测，而且最 重要的是它在获取高灵敏度方面一直被认为是最具发展潜力的一种结构类型。 传统的马赫-曾德干涉仪由两个3dB耦合器和两个波导臂组成，通常将其中一臂 暴露在环境中，随着外界参量的变化，如温度、浓度、变形、应力等的变化， 改变了该臂传输光的有效折射率，从而改变光的相位，使得输出光的干涉结果 产生变化，从而达到探测外界环境参量的目的。在实际制作时，通常需要在其 中一个臂或者两个臂上都刻蚀出样品槽，从制作工艺角度来将需要套刻工艺， 给实际制作带来不便。\n发明内容\n本发明的目的在于提供两个干涉臂采用不同宽度的波导结构的一种基于非 对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器。\n本发明解决其技术问题采用的技术方案是：\n依次包括输入波导，1×2光功分器、两个非对称马赫曾德臂、2×1合波器， 输出波导连接而成。\n所述的两个非对称马赫曾德臂其中一个臂由传感臂的输入锥形波导、宽度 大于输入波导宽度的宽直波导、传感臂的输出锥形波导连接而成，另一个臂由 与输入波导一样宽度的直波导、参考臂的输入锥形波导、参考臂的输出锥形波 导连接而成。\n所述的传感臂的输入锥形波导和参考臂的输入锥形波导结构和长度相同， 传感臂的输出锥形波导和参考臂的输入锥形波导结构和长度相同，宽直波导和 直波导长度相同。\n所述的1×2光功分器，2×1合波器为多模干涉波导结构、Y分支结构或者 方向耦合器结构。\n所述的波导结构均为脊形光波导结构。\n本发明具有的有益的效果是：\n1.无需刻蚀液体槽，在制作时不需要用到套刻工艺，使工艺简化，制作成 本大大减小；\n2.马赫-曾德两个臂的锥形波导采用相同的结构，使得由于锥形引入的损耗 和相位的变化可以相互抵消，从而使相位只是由于波导的宽度的变化引起；\n3.通过选取两个臂的直波导部分的宽度比可以使整个器件在尺寸未增加的 前提下的灵敏度达到很高；\n4.测量时只需要将整个结构置于待测液体中，而无要精确控制液体不外溢。\n附图说明\n图1本发明非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器示意图；\n图2本发明脊形光波导截面示意图；\n图3光场在整个非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器中传播示意图；\n图4非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器输出能量变化随折射率变化示 意图。\n图中：1、输入波导，2、1×2光功分器，3、传感臂的输入锥形波导，4、 宽直波导，5、传感臂的输出锥形波导，6、直波导，7、参考臂的输入锥形波导， 8、参考臂的输出锥形波导，9、2×1合波器，10、输出波导。\n具体实施方式\n如图1所示，本发明依次包括输入波导1，1×2光功分器2、两个非对称马 赫曾德臂、2×1合波器9，输出波导10连接而成。\n所述的两个非对称马赫曾德臂其中一个臂由传感臂的输入锥形波导3、宽度 大于输入波导1宽度的宽直波导4、传感臂的输出锥形波5连接而成，另一个臂 由与输入波导一样宽度的直波导6、参考臂的输入锥形波导7、参考臂的输出锥 形波导8连接而成。\n所述的传感臂的输入锥形波导3和参考臂的输入锥形波导7结构和长度相 同，传感臂的输出锥形波导5和参考臂的输入锥形波导8结构和长度相同，宽 直波导4和直波导6长度相同。\n所述的1×2光功分器2，2×1合波器9为多模干涉波导结构、Y分支结构 或者方向耦合器结构。\n所述的波导结构均为脊形光波导结构。\n首先需要确定构成整个非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器的脊型光波 导的基本结构，使得光波在波导里的传播满足单模传输条件，同时要有足够大 的弯曲半径，综合以上分析，选取脊形光波导(如图2所示)宽度Wr＝4μm，脊 高hr＝2.0μm，SiO2芯层厚度h1＝6μm，SiO2芯层折射率n1＝1.4588，SiO2下包 层厚度h2＝8μm，下包层折射率n2＝1.4471，计算波长λ＝1.55μm。采用简单的Y分 支结构为实施例子，就应该考虑到在分口处留有最小的允许间距(一般是2μm)， 以防止因为空气隙引入的损耗。但是如果采用浅刻蚀结构，比如本发明中所取 的刻蚀深度只有2μm左右，那么空气隙对损耗的影响很微弱，可以忽略不计。\n采用非对称结构的设计，马赫曾德干涉仪的两条干涉臂采用两种宽度的波 导结构，由宽度不同使得两臂对外界折射率变化引起的传播常数变化不一样， 从而在输出处产生干涉，引起输出光强的变化。在刻蚀深度为2μm时，两臂的 波导宽度分别选取为4μm和6μm，以保证单模传输。由于其余部分的波导宽度 仍然为4μm，因此必须引入锥形结构(图1中(3)和(5)所示)连接6μm的波导臂 与其他部分。锥形结构的引入使得马赫曾德干涉仪的一个臂的相位发生变化， 为了消除由于锥形结构引入的相位变化，本发明在马赫-曾德干涉仪的另一个臂 上引入结构与传感臂的输入锥形波导3和传感臂的输出锥形波导5相同的参考 臂的输入锥形波7和参考臂的输出锥形波导8。这样的结构能够保证由于锥形结 构而引入的相位变化相互抵消，整个传感器的相位变化只由于两个臂的宽度变 化而引入，给设计和制作带来便利。这样的非对称设计，无需刻蚀液体槽，在 制作时不需要用到套刻工艺，使工艺简化，制作成本大大减小。\n利用3DBPM可以模拟出光场在整个结构传播的情况。为了兼顾传感器的量 程和灵敏度，传感器干涉臂的长度选取为942.57μm，锥形的长度取为1000μm。 图3是光场在整个非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器中传播示意图。从图 中可以看出，在输入光场在Y分支光功分器2处分成两路，分别在两个臂中传 播，由于两个臂的传播常数不一样，当光场到达Y分支光合波器9时发生干涉， 从输出波导10输出的光场由两个臂的相位差决定，而两个臂的相位差又与外界 的折射率相关，因此可以通过测量输出光场的强度来测量外界的折射率。图4 是非对称干涉臂马赫曾德干涉仪型传感器输出能量变化随折射率变化示意图， 从图中可以看出，输出能量与外界折射率相对应，整个结构可以实现传感器的 功能。