[发明专利]一种基于环路镜的槽型波导折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于环路镜的槽型波导折射率传感器。

背景技术

由于半导体工业，尤其是硅基加工技术的飞速发展，工作在通讯波段的纳米量级精度、厘米量级尺寸的器件已经成为可能。硅-绝缘体（silicon-on-insulator, SOI）这种物质体系非常适合被动器件的集成并且有可能成为未来硅基工业的主流发展方向。在过去的这些年中，许多SOI器件已经被实现，它们包括分束器、滤波器、调制器和传感器等等。而这些器件都是基于不同的波导体系，其中令人瞩目的就是槽型波导。槽型波导可以将光束缚在低折射率的材料中。就是由于槽型波导的这种对光的束缚性质导致其有较大的双折射，这种性质也得到了一定的应用，例如，光学延迟线、非线性位相匹配等等。并且由于这种奇特的性质，槽型波导也被研究者们应用到其他物质体系中，例如光纤、氮化硅/二氧化硅混合体系。

另一方面，包含有高双折射光纤的环路镜是光纤通讯和传感的研究热点。它们被广泛应用于波分复用器、掺铒光纤放大器的增益平坦化、多波长激光器、色散剪裁、光纤陀螺、应力和温度传感等等领域。

发明内容

本发明提出了一种基于环路镜的槽型波导折射率传感器，通过将环路镜和槽型波导结合，可以获得极高的双折射。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于环路镜的槽型波导折射率传感器，由衬底层和波导层组成，波导层包括输入端、光纤环路镜和输出端，所述光纤环路镜由定向耦合器和与定向耦合器两输出端口连接的波导环组成；所述波导环由脊型波导和槽型波导连接构成；通过所述输入端的光经过定向耦合器分成两路光进入所述波导环，所述两路光经过波导环的槽型波导后偏振发生旋转，并再次通过定向耦合器后，一部分光被输出端接收。

进一步地，所述定向耦合器对信号的耦合系数为50:50。

进一步地，所述衬底层的材料为二氧化硅或者氟化镁的低折射率材料，所述波导层为硅或铌酸锂的高折射率材料。

进一步地，所述槽型波导的槽型区域的长度为几十到几百微米。

进一步地，所述传感器的工作波段为C+L通讯波段，其测量的折射率范围为1-3，被测量的物体为气体或者液体。

本发明通过将高双折射的槽型波导集成在环路镜中，形成了折射率灵敏度高达10³nm/RIU的传感器。与现有技术相比，本发明的显著优点是：（1）所形成的传感器具有极高的双折射，达到10^-1，可以大大减小传感器的尺寸；（2）相比于单纯利用消逝场的折射率传感器，该器件灵敏度高一个数量级；（3）可利用传统的硅基光刻工艺批量生产该传感器，制作成本低廉。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，以使本发明的优点得以清楚展现。

图1为本发明基于环路镜的槽型波导折射率传感器的示意图。

图2为理论计算的槽型波导的截面示意图和光场图。

图3为不同槽宽和槽高情况下，本发明的槽型波导在（a）空气和（b）水中的双折射。

图4为不同槽宽和槽高情况下，本发明的槽型波导在（a）空气和（b）水中的折射率传感灵敏度。

具体实施方式

本发明的传感器结构示意图如图1所示：端口A为光的输入端，端口B为光的输出端，衬底层采用二氧化硅材料，波导层材料采用硅。通过端口A输入的光经过路径1进入50:50的定向耦合器，分别有50%的光经由路径3（顺时针）和路径4（逆时针）进入环路镜。这两路光经过槽型波导区域后偏振发生旋转并再次经由路径3和路径4通过定向耦合器后部分光通过路径2被端口B接收。槽型波导的槽型区域的长度L可以为几十到几百微米。

图2为用有限元方法计算的槽型波导准横电基模的光场分布图，具体参数为：槽宽= 50nm，槽深= 400nm，脊宽= 200nm，计算波长为1550nm，白色箭头指示了偏振方向。

图3为用有限元方法计算的槽型波导在不同槽宽和槽深下的双折射，双折射为槽型波导准横磁基模与准横电基模的有效折射率之差，计算波长为1550nm。

图4为用有限元方法计算的槽型波导在不同槽宽和槽深下的灵敏度，所用计算公式为:                                               ，其中计算波长λ₀为1550nm，n_analyte为被分析物的折射率，B为双折射。

本发明提出了一种利用微光纤制作新型高双折射器件的方法。该传感器的槽型波导具有很高的双折射（10^-1量级）并且利用其双折射获得的灵敏度比单纯利用消逝场获得的灵敏度高一个数量级，达到了10³nm/RIU量级。该高双折射器件在物联网、光纤传感、集成光学等领域有着广泛的应用。