[发明专利]平面光学元件、传感器元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括至少一个光子组件的平面光学元件，该光子组件排列在至少一个基质上，该基质包含至少一种聚合物或者由至少一种聚合物组成。此外，本发明涉及一种含有至少一个光导的传感器元件，该光导具有至少一个芯以及镀层，该芯由具有第一折射率的第一材料制成，而该镀层环绕该芯，并由具有第二折射率的第二材料制成，其中在该芯中嵌入至少一个光纤布拉格光栅。最后，本发明涉及一种制造该平面光学元件或第二元件的方法。

背景技术

从WO 2011/089244A2中已知，使用具有多个光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings) 的光纤传感器，用于探测温度和/或机械应力。通过分光仪识别由光纤布拉格光栅反射的光，其中该分光仪可以是位于硅基质上的平面光学过滤元件。然而缺陷在于生产平面光学过滤元件需要的开销较大。

发明内容

因此在现有技术的基础上，本发明旨在提供一种可以大量生产、节约成本、形式简单并且可容易地整合到其他组件和/或组件中的传感器元件和/或平面光学过滤元件。

根据本发明，此目的是通过平面光学元件，具有至少一个光子组件，该光子组件排列在至少一个基质上，所述基质含有至少一种聚合物或者由至少一种聚合物构成，其特征在于：该基质包括至少一个第一薄膜层和第二薄膜层，该第一薄膜层具有第一侧以及相对第二侧，该第二薄膜层具有第一侧以及相对第二侧，其中第二薄膜层的第一侧排列在第一薄膜层的第二侧之上，并且至少第二薄膜层至少在子区域内包含有纳米线。进一步地，所述的传感器元件，包含至少一个波导，该波导包括至少一个由第一材料构成的芯和镀层，该第一材料具有第一折射率，而该镀层环绕该芯，并由具有第二折射率的第二材料制成，其中在该芯中嵌入至少一个光纤布拉格光栅，其特征在于：传感器元件排列在基质上，该基质包括或由至少一个聚合物构成，并且该基质具有至少一个第一薄膜层和第二薄膜层，该第一薄膜层具有第一侧和相对第二侧，而该第二薄膜层具有第一侧和相对第二侧，其中该第二薄膜层的第一侧排列在第一薄膜层的第二侧之上，该镀层是第一薄膜层的一部分，而芯插入到第一薄膜层，其中至少第二薄膜层至少在子区域内含有纳米线。以及实现该目的方法，所述的方法，包括以下步骤：提供具有第一侧和相对第二侧的第一薄膜层；提供具有第一侧和相对第二侧的第二薄膜层，其中该第二薄膜层至少在子区域内含有纳米线；第二薄膜层的第一侧连接第一薄膜层的第二侧；使用激光辐射和/或纳米印制和/或光刻法修改材料，以在第一薄膜层生产至少一个光子组件。

本发明提出在支撑物或基质上整合至少一个光子组件。该光子组件例如可以是无源光学组件。在本发明一些实施例中，可以从波导、光纤布拉格光栅、耦合器或者阵列波导光栅中选择无源光学组件。该平面光学元件以及/或者该提出的传感器元件包含至少一个该光子组件。在本发明一些实施例中，还可能在基质上整合多个光子组件，从而产生集成光子组件，该集成光子组件可实现多个功能或者至少一个复杂功能。在本发明一些实施例中，光子组件可以是多个通道的分光仪，从而入射光的强度可以确定在可预调整的光谱范围。该分光仪例如可用于选择光纤传感器系统或者用于信号选择，或者用于光学通信工程中的信号生成。

本发明提出使用多层聚合物材料作为基质。该聚合物材料可包括或者由聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯以及/或者聚酰亚胺构成。该基质包括具有第一侧及相对第二侧的第一层，以及至少具有第一侧及相对第二侧的第二层。两层以坚固的粘合方式连接在一起，如压焊(bonding)、焊接(welding)或层压(laminating)，从而使第二层的第一侧位于第一层的第二侧之上。该光子元件排列在第一层，并例如可通过印刷方法、微影图案或者使用激光辐射改进材料。在后一种情况下，材料改进可有益地被飞秒激光脉冲使用。为了最小化由于第一层光散射或折射造成的损失，第一层至少在光子组件排列的分区不具有内含物或非均质材料。然而，这导致了较大的热膨胀系数，从而温度的改变就改变了光子组件的尺寸。这会改变该至少一个光子组件的光学属性。

本发明现提出利用纳米线弥补热相关膨胀，以加固基质的第二层。可通过共挤压、层压、溶胶-凝胶方法或其他在此处不再详述的方法将纳米线引入到第二层。该纳米线可以吸收和抵消材料的抗张强度，因此第二层的热膨胀要远小于第一层的热膨胀。在本发明的一些实施例中，第二层在一些温度范围内具有负的热膨胀系数，例如不会热膨胀，第二层会随着温度的升高而收缩。