[发明专利]一种基于光漂白的区间可调的非对称M-Z光波导传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光漂白的区间可调的非对称M‑Z光波导传感器及其制备方法，属于光波导集成芯片及其制备技术领域，器件由低精度非对称M‑Z传感器和高精度非对称M‑Z传感器构成，低精度传感器其传感区间范围较大且单调，用于确定待测折射率低精度值，从而确定高精度M‑Z传感器的工作区间，高精度传感器可通过后期曝光量控制传感器的工作区间区。发明采用光敏聚合物材料解决了传感器区间退化的问题，结合双M‑Z结构可替代多传感器阵列，节约了光源和探测器成本。另外，器件采用压印制备聚合物凹槽，旋涂、固化光敏聚合物芯层材料，解离、抛光后得到器件，其制备工艺简单，材料和制作成本低廉，精度高，尤其适用于聚合物便携式和一次性传感芯片。

技术领域

本发明属于光波导集成芯片及其制备技术领域，具体涉及一种基于光敏聚合物的传感区间可在器件制备后调整的马赫增德尔光波导传感器及其制备方法。

背景技术

马赫增德尔(M-Z)光波导传感器将待测液体的折射率与检测光信号的强度联系起来，不需要对光谱进行检测，其检测成本低，器件结构简单。M-Z光波导传感器其工作原理为利用光波导传导检测光，通过Y形分束器将检测光分于两臂传输。两臂与待测液体接触，根据消逝波传感原理，两臂中光场相位发生变化，相位变化后的光场通过Y形分束器再次耦合，发生相位干涉，由于相位的差距，导致输出光功率的变化。

从M-Z传感器的传感原理可知，当器件结构和折射率确定以后，其传感区间和传感精度是确定的，对于单个M-Z光波导传感器，其干涉结构导致其传感性能存在退化(即在输出接近输入或者接近最大消光的时候，传感精度大幅下降)。同时，对于单个M-Z传感器传，感精度越高，传感区间越窄，高精度的传感器，其工作区间在很窄的范围内，无法直接通过输出功率，确定传感器工作于哪个区间，在实际应用中存在局限。为了解决单个传感器的局限，现有方法通过阵列M-Z光波导传感器解决解决其传感区间与传感精度的矛盾，通过制备一系列结构不同的M-Z传感器，实现其传感区间的拼接，从而解决传感区间范围窄的问题，虽然该方法解决了传感区间的问题，但是，基于该方法的传感器，其器件的数量、芯片尺寸和信号源和检测数量翻倍，结构复杂，成本翻倍。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的如下问题：1.解决了单个传感器传感精度退化的问题，利用光漂白技术改变传感器芯层材料的折射率，从而改变传感器的传感区间，使得原本折射率在退化区间的待测液体，工作于传感器的非退化区间。2.解决了传感器阵列的复杂结构，不需要多个传感器的传感区间的拼接，只需要两个M-Z传感器(低精度大范围传感器和高精度小范围传感器即可实现在大范围下的高精度传感，通过低精度传感器确定待测折射率范围，从而确定其工作区间，若其工作区间在高精度传感器的非退化区间，则可直接测试，若在退化区间，则可通过光漂白，使得其传感区间漂移，使得其工作于高精度传感器的非退化区间)。

一种基于光漂白的区间可调的非对称M-Z光波导传感器，由两个分立的M-Z传感器构成，分别为低精度传感器1及高精度传感器2，其M-Z结构均由输入输出区(a)区、输入输出Y分支区(b)区及干涉臂区(c)区组成，其中，输入输出区(a)长度l_a为1～5mm的直波导；输入输出Y分支区(b)的两个分支臂为函数相同的余弦形函数曲线波导(分支图形为余弦结构，因为余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低)，分支臂函数的曲线方程为：其中参数a,b由分支角度θ和分支臂距离d限定，分支角度θ为0.1～1度，两个分支臂间距d为20～120μm；低精度传感器1和高精度传感器2的干涉臂区(c)一个臂为连接输入输出Y分支的直波导作为参考臂，另一个臂为由直波导和圆弧构成的波导作为传感臂，传感臂与参考臂的长度差由以下公式给出：

△l＝l_s-l_r，