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运用光波导的模式理论设计了多层集成光波导干涉芯片,对芯片的光波导结构和材料参数进行.优化,并制作了集成干涉芯片.借助集成芯片的波导双通道,通过干涉获得了高对比度的远场干涉条纹..在实验误差范围内,当外界环境条件发生微小变化时,干涉条纹发生移动,符合杨氏双缝干涉理论的预.期.芯片对水汽、酒精的探测灵敏度约为100ppm,并具有足够的温度稳定性.该集成干涉芯片具有低浓.度环境气体检测的应用前景,可为集成高灵敏气体传感器的开发提供发展平台.
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第
卷第
期
年
月
光
子
学
报
基金项目
国家自然科学基金
第一 作者
张何丽
女
硕士研究生
主要研究方向为光电子与光通信器件
导师
(
通讯 作者
)
任一涛
男
教授
博士
主要研究方向为光波导理论与器件
光传感器等
收稿 日期
录用 日期
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p
www
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hoton
.
ac
.
cn
引用格式
etal
.
ActaPhotonicaSinica
48
张何丽
姜欢
张冰
等
集成光波导干涉芯片的设计及特性研究
光子学报
48
集成光波导干涉芯片的设计及特性研究
张何丽
,
姜欢
,
张冰
,
任一涛
云南大学 物理与天文学院 物理系
昆明
摘
要
:
运用光波导的模式理论设计了多层集成光波导干涉芯片
,
对芯片的光波导结构和材料参数进 行
优化
,
并制作了集成干涉芯片
借助集成芯片的波导 双 通 道
,
通过干涉获得了高对比度的远场干涉 条 纹
在实验误差范围内
,
当外界环境条件发生微小变化时
,
干涉条纹发生移 动
,
符 合 杨 氏双 缝干 涉理 论的 预
期
芯片对水汽
、
酒精的探测灵敏度约为
,
并具有足够的 温 度 稳定 性
该 集 成 干涉 芯片 具有 低浓
度环境气体检测的应用前景
,
可为集成高灵敏气体传感器的开发提供发展平台
关键词
:
平面光波导
;
干涉条纹
;
杨氏双缝
;
集成光学
;
玻璃
中图分类号
文献标识码
doi
Desi
g
nandPro
p
ertiesA
pp
roachofanInte
g
ratedInterference
Chi
p
Madeb
y
O
p
ticalWave
g
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Ph
y
sicsDe
p
artment
Schoolo
f
Ph
y
sicsandAstronom
y
YunnanUniversit
y
Kunmin
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCISCodes
0
引言
微电子工业和微加工技术不断进步
极大地推动了微小光器件的发展与集成
尤其是光网络
信息传输
技术
人工智能等新技术的兴起
小尺寸
高器件密度
高灵敏度
高信息传输效率的光器件得到了迅猛发展
光集成器件与技术迅速成 为关 注热 点
开 发 相应 的光 集 成器 件或 功 能模 块便 成 为重 要的 技 术研 究领 域 之
一
光子集成是光波导发展的必然目标
介质光波导及其制备技术为光的定向传输
光器件空间尺寸的压
光
子
学
报
缩与集成提供了好的平台与技术基础
其中光的干涉装置便是一个典型例子
传统的光干涉装置都是由分离
的光学元器件组成
光的干涉效应实现了光波长量级的测量尺度
极大地提高了测量的测量精度和灵敏度
为高精度测量提供了有效的技术支撑
但同时要求测试装置自身具有较高的稳定性
由于分离光学元器
件自身有一定的宏观线度
组成后的干涉装置或系统一般尺寸较大
稳定 性 受 到 限 制
单纯减小光器件尺寸
并提高系统稳定性会导致光干涉系统的成本大幅度增加
给技术的实际应用和推广带来诸多困难和障碍
基
于光波导的光器件由于其自身优势
容易实现光器件尺寸的微型化和集成化
既突破了传统光器件尺寸的限
制
又继承了光学效应精度高和灵敏度高等技术优势
为光技术在环境检测
生命科学
食品安全和国家安全
等方面的应用提供了更有效的技术手段
光波导借助其特殊的几何结构
可以将外界进入的光压缩并限制在微米量级的二维或三维区域内传递
受到外界环境条件变化的影响
当光在光波导中传播时
光的特性
光强度
位相或偏振等
将发生改变
利用
某些特殊的光波导结构可以增强或放大光波 导 器 件 对 外 界 环 境 变 化 的 敏 感 性
建立这些光特性参数与外界
环境因素改变间的联系
通过测量光特性参数的改变可以感知外界环境的变化
构造具有检测和传感的光装
置
典型的结构有消逝波型和干涉型结构
如通过马赫泽德
型光
波导干涉传感结构
可方便地实现
的相差分辨率及相应
的折射率变化分辨率
由消
逝波型或干涉型构造的光检测或传感装置
无论是消逝场变化或光传输相位的改变
均将导致最终输出的光
强度发生变化
从而实现对如压力
湿度
温度等物理量的测量和传感
但在测量过程中
光强度的变化容易
受到外界诸多因素的影响或干扰
导致测量精度降低
由介质光波导结合光纤构成的干涉传感器结构简单小
巧
耐腐蚀
便于集成
批量生产后制作成本低
与微电子器件结合具有明显的综合优势
可在线遥控监测
测
量精度高
尤其适用于对有毒
有害气体或危险有害环境中的监测
以满足光电子
物联网
人工智能等
新技术的发展需求
本文运用光波导的模式理论设计了多层集成光波导干涉芯片
对芯片的光波导结构
和材料参数进行优化
并制作了集成干涉芯片
1
设计原理与理论
光波导干涉型检测或传感单元基本上是制作在同一平面上的条形光波导马赫泽德等干涉结构或其它消
逝场结构
制作这些微结构需要昂贵的设备及复杂的微细加工工艺
制作成本高
产品良率不易保证
光强度测量
尤其是弱光且变化量小
易受非测试量的影响
会导致测量的误判并降低测量精度
为克服消逝波型和干涉型检测传感单元测量上的缺陷
减小并消除检测光强度变化带来的误差
制作小
尺寸
低成本的检测传感单元
本文以最简单的平面光波导为基础结构
设计并研制出多层结构的平面光波
导干涉器
这既省去了繁复的条形光波导结构微细加工制作
简化了制备工艺
又极大地降低了制备成本
易
于与其它光器件的集成
同时简化了入射光的耦合过程
为该干涉器的使用和推广带来更多的便利
平面光
波导干涉器的横截面结构及材料折射率的分布如图
在图
所示的集成平面光波导干涉器结构中
用一层
低折射率材料隔离两个叠加的光波导导波层
这两个光波导导波层作为两个独立的光通道同时承担导光作
用
由这两波导出来的光因干涉而产生干涉条纹
通过干涉条纹的移动变化来实现测量或传感作用
此时外
界环境的任何微小变化将引起光波导导模消逝场或传输光相位的改变
从而造成干涉条纹的移动
通过借助
图
双通道多层平面光波导横截面结构及折射率分布
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