[发明专利]一种基于非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法

说明书

一种基于非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法，属于平面光波导传感器及其制备技术领域。整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条平行的参考臂和传感臂，3‑dB Y分支耦合器组成；从上至上，依次由硅片衬底、在硅片衬底上制备的具有凹槽结构的聚合物下包层、在聚合物下包层上制备的具有倒脊型波导结构的光波导芯层、在光波导芯层上制备的聚合物上包层组成；本发明的波导型温度传感器结合了MZI光波导的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势，通过将传统MZI波导温度传感器的传感臂和参考臂的光波导芯层采用热光系数不同的两种有机聚合物材料，达到了对实际外界环境温度检测的目的。

技术领域

本发明属于平面光波导传感器及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以热光系数不同的两种有机聚合物材料分别作为Mach–Zehnder interferometer(MZI)结构的两条平行干涉臂光波导芯层的光波导型温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度测量是测控技术的一个重要组成部分，在国民经济的各个领域具有十分重要的地位。人们的日常生活、动植物的生存繁衍、工农业生产和科学研究实验等诸多方面都与温度测量有着十分密切的关系。因此，对温度的准确测量一直是一个重要的研究课题。随着科学技术的进步和生产力的发展，人们对温度的精确测量也提出了更高的要求。传感器作为信息传递的重要基础，可以将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)转换成便于传输和处理的另一种物理量，在温度、化学、生物等检测领域具有重要的应用价值。与传统的电学传感器相比，光学传感器具有抗电磁干扰能力强、体积小、结构简单、检测带宽大等优势，在各类传感检测领域应用十分广泛。作为光学传感器的一个重要分支，平面光波导传感器近年来发展迅猛，它不仅继承了光纤传感器的优点，而且器件的稳定性和可靠性更佳，能适应更加恶劣的工作环境，此外，器件的材料多种多样、制备工艺与半导体工艺相兼容，更有利于实现器件的功能化集成和批量生产，在环境保护、生命科学和航空航天等领域得到了广泛的应用。

目前，用于制备平面光波导传感器的材料主要由无机材料和有机聚合物材料两种，与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单且与半导体工艺兼容、抗电磁干扰能力强等优点，并且有机聚合物材料最突出的优点在于它可以在分子的水平上进行结构设计，从而获得最佳的光学特性，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础材料。此外，有机聚合物材料具有无机材料所无法比拟的高热光系数的独特优势，利用这个优点，可以使利用其制备的温度传感器具有较高的检测灵敏度。在平面光波导器件的结构设计中，Mach–Zehnder interferometer(MZI)是一种最基本的器件结构，也是最易于实现的波导干涉仪方案，在光通信领域和平面光波导传感器领域具有重要的应用价值。传统的MZI光波导主要由输入/输出直波导、Y分支3-dB分束器/耦合器和两条平行干涉臂所构成，MZI光波导传感器的工作原理是将其中一条平行干涉臂作为参考臂，另一条干涉臂作为传感臂，通过将传感臂的波导包层材料刻蚀出传感窗口，使其暴露在外界环境中，随着外界环境参量的变化，该干涉臂的有效折射率会随之发生改变，从而改变该干涉臂中光的相位，并进一步使得输出光的强度发生变化，这样，便可以通过监测波导的输出光强来检测外界环境参量的变化。利用该原理，已经成功制备出了基于MZI光波导结构的折射率传感器，加速度传感器和生化传感器等传感器件。而目前基于MZI光波导结构的温度传感器还只停留在实验室阶段，通常是在传感波导臂上制备出一条金属加热电极，通过改变经过电极的电流来调节传感臂波导的温度，进而来模拟外界环境温度的变化，但是在实际的环境温度检测中，MZI波导的参考臂和传感臂将同时处于待检测环境之中，两条波导臂的有效折射率会随着外界环境温度的变化而发生相同的变化，这样便使其失去了对温度的传感功能，进而严重限制了MZI光波导结构温度传感器的实际应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种两条干涉臂波导采用不同热光系数的芯层材料的非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法。