集成光波導(dǎo)傳感器的研究進展

集成光波導(dǎo)傳感器的研究進展

1集成光彈性傳感器1983年，瑞士聯(lián)邦勞動部應(yīng)用光學(xué)實驗室提出了一種新的集成光學(xué)傳感器，該算法能夠改善100.150nm厚的高折射sio2和ti8。與基于電信號探測的傳感器相比,集成光波導(dǎo)傳感器基于光信號探測,可以避免外界電磁場的干擾,有更好的穩(wěn)定性和可靠性,有利于在惡劣環(huán)境下使用。與光纖傳感器相比,集成光波導(dǎo)傳感器具有以下優(yōu)勢:(1)通過靈活選擇波導(dǎo)材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計,可獲得更高的靈敏度;(2)通過單片集成,可實現(xiàn)多信道同時測量以及系統(tǒng)微型化和多功能化,并降低功耗;(3)通過與微機械、微電子技術(shù)相結(jié)合(MOEM)可提供新的傳感應(yīng)用和集成潛力;(4)通過集成工藝實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn),可降低成本?？梢?集成光波導(dǎo)傳感器不但繼承了光纖傳感器的優(yōu)點,還更有利于實現(xiàn)多功能集成、緊湊封裝和批量生產(chǎn),擁有小型輕量、穩(wěn)定可靠、低耗高效等其他結(jié)構(gòu)傳感器無法比擬的優(yōu)勢,是新一代微型化、集成化和智能化傳感器系統(tǒng)的重要組成部分?；谝陨蟽?yōu)點,國際上對各種用途的集成光波導(dǎo)傳感器進行了研究。本文闡述了集成光波導(dǎo)傳感器原理、種類、應(yīng)用及研究進展。2透入第二介質(zhì)的私家車波目前,大部分集成光波導(dǎo)傳感器都是基于倏逝波原理。倏逝波為介質(zhì)光波導(dǎo)的固有特征,對光波導(dǎo)材料本身沒有任何特殊要求,也不會產(chǎn)生負面效應(yīng),同時還具有無源、靈敏度高、簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點。當(dāng)在兩介質(zhì)表面發(fā)生全反射時,光波不是絕對地在界面上被全部反射回第一介質(zhì),而是透入第二介質(zhì)很薄的一層表面(約一個波長),并沿界面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x(GoosHanchen位移,波長量級),最后返回第一介質(zhì)。透入第二介質(zhì)的光波,稱為倏逝波。利用導(dǎo)模倏逝波“感知”波導(dǎo)表面附近樣品材料特性的變化,從而改變光波的相位或振幅,然后利用合適的光路(通常轉(zhuǎn)換為光功率的形式)和電路進行探測而得到樣品材料的信息,這就是倏逝波傳感原理。3光束傳感器的組合3.1金屬膜表面等離子體共振波表面等離子體共振是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。它利用光在波導(dǎo)與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射時滲透到金屬薄膜內(nèi)的倏逝波,引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生表面等離子體波,在入射角或波長為某一適當(dāng)值的條件下,表面等離子體波與倏逝波的頻率和波數(shù)相等,二者將發(fā)生共振,入射光被吸收,使反射光能量急劇下降,在反射光譜上出現(xiàn)反射強度最低值,即共振峰。緊靠在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率不同時,共振峰位置(共振角或共振波長)將不同。據(jù)此,可對待測物進行測定。共振的產(chǎn)生與入射光的波長和入射角、金屬薄膜的介電常數(shù)及介質(zhì)的折射率有關(guān)。當(dāng)介質(zhì)不同時,共振角或共振波長將改變。因此,SPR譜的改變將反映與金屬膜表面接觸體系(介質(zhì))的變化。英國南安普頓大學(xué)光電研究院的HarrisRD等在鉀離子交換玻璃光波導(dǎo)上鍍上一層金膜產(chǎn)生表面等離子體共振波來傳感液體中農(nóng)藥的濃度。金膜與待測液體接觸,當(dāng)光注入離子交換波導(dǎo)時,在金膜與波導(dǎo)表面產(chǎn)生等離子體共振波,溶液中農(nóng)藥濃度發(fā)生變化時,導(dǎo)致溶液折射率發(fā)生變化,波導(dǎo)與表面等離子體共振模的耦合條件發(fā)生變化,通過檢測輸出波導(dǎo)的光功率,可以對農(nóng)藥濃度進行傳感,該傳感器的分辨率可達0.22μg/L.3.2基于熒光熒光傳感器的ca2+離子和葡萄糖濃度的傳感技術(shù)一類平面薄膜波導(dǎo)傳感器是運用衰減全內(nèi)反射原理進行傳感的。日本Keio大學(xué)]研制了一種用于探測液體中Ca2+離子和葡萄糖濃度的平面薄膜光波導(dǎo)傳感器。該傳感器的結(jié)構(gòu)和試驗裝置如圖1所示:入射光束通過棱鏡耦合到平面波導(dǎo)中,當(dāng)波導(dǎo)上包層傳感池中溶液的Ca2+離子或葡萄糖濃度發(fā)生變化時,通過棱鏡耦合出的光強發(fā)生變化,通過測量耦合光強的變化來傳感Ca2+離子和葡萄糖的濃度。該傳感器可測量Ca2+離子的濃度范圍為10-5～100mol/l,葡萄糖的濃度范圍為0～750mg/dl。另一類平面薄膜波導(dǎo)傳感器是利用染料的熒光猝滅效應(yīng)進行傳感的。研究人員研制了基于熒光猝滅效應(yīng)測量液體中氧氣濃度的傳感器。傳統(tǒng)的安培流量計型氧氣濃度傳感器有許多缺點,比如由于受被測物的污染,傳感器的壽命短,需要復(fù)雜的參考電極,傳感器的體積大,易受電磁場的干擾等。而平板波導(dǎo)型氧氣傳感器克服了以上缺點,該傳感器是在波導(dǎo)上包層涂上對氧氣敏感的染料,由于氧氣的存在會發(fā)生熒光猝滅效應(yīng),通過測量耦合到波導(dǎo)芯層的熒光強度來傳感液體中氧氣的濃度。3.3傳感機理檢測圖2是M-Z干涉儀型波導(dǎo)傳感器的示意圖。這類傳感器的傳感機理是被測量的變化將導(dǎo)致傳感臂波導(dǎo)折射率或長度發(fā)生變化,進而使通過傳感臂的光相移發(fā)生變化,光相移變化則出射端光強也發(fā)生變化,通過檢測出射端光強測量被測量。3.4共振波長型一類是共振波長型布拉格光柵傳感器,其機理是基于布拉格波長產(chǎn)生條件:λ=2neff×Λ(λ是共振波長,neff是波導(dǎo)的有效折射率,∧是布拉格光柵的周期)。圖3是共振波長型布拉格光柵傳感器示意圖,當(dāng)被測量發(fā)生變化時,波導(dǎo)的有效折射率或布拉格光柵的周期將發(fā)生變化,通過探測共振波長的變化來傳感被測量。另一類是散射型布拉格光柵傳感器,其機理是通過探測布拉格光柵的散射光強來傳感被測量。圖4示出一種波導(dǎo)布拉格光柵氣體傳感器,該傳感器是在波導(dǎo)布拉格光柵上涂對甲苯敏感的聚硅氧烷,通過測量散射光強的變化來測量甲苯的濃度,此種傳感器能夠測量到10-5(體積比)濃度的甲苯。3.5立體器中異丙醇濃度的檢測這類傳感器是基于被測量的變化將導(dǎo)致環(huán)形腔長度或波導(dǎo)有效折射率的變化,進而使諧振波長發(fā)生變化,通過探測諧振波長的變化來傳感被測量。有研究機構(gòu)用環(huán)形腔來測異丙醇的濃度,可測得5×10-5(體積比)的異丙醇。圖5為環(huán)形腔的示意圖和輸出結(jié)果圖。應(yīng)用環(huán)形諧振腔(或盤)型光波導(dǎo)傳感器還有很多。4.1光譜電阻傳感器的集成圣保羅大學(xué)的光電與系統(tǒng)研究實驗室報道了一種光波導(dǎo)壓力傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。4.2共振波長的變化已有研究機構(gòu)研制了一種基于波導(dǎo)布拉格光柵和黑體輻射的溫度傳感器,當(dāng)溫度發(fā)生變化時,由于熱光效應(yīng)引起波導(dǎo)的有效折射率變化,由于熱脹冷縮引起布拉格光柵的周期發(fā)生變化,通過探測共振波長的變化來傳感被測量。測溫范圍可以從室溫到1200℃。波導(dǎo)布拉格光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)和實驗裝置如圖7所示。4.3平板培養(yǎng)傳感器中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所用反應(yīng)式低電壓離子鍍技術(shù)制備了Ta5O2平板波導(dǎo)濕度傳感器。它的靈敏度高,尤其是在較低的濕度下,表現(xiàn)了很好的特性。4.4集成光濾波器m-z問題長春光機所于2002年研制了一種集成光波導(dǎo)電磁場傳感器。此傳感器的芯片是在X-切LiNbO3基板上制作的非對稱臂分支干涉型M-Z光波導(dǎo)電光調(diào)制器。沉積在波導(dǎo)平行臂上的集電極與附加的平行板狀電極天線連接,在電磁場檢測中,主要利用了光波導(dǎo)晶體的電光效應(yīng),用被測電場直接調(diào)制光強。封裝好的集成光波導(dǎo)型電磁場傳感器如圖8所示。該傳感器電磁場頻率測量范圍為50Hz～1MHz,已測電磁場的頻率范圍為200kHz～1MHz。輸入電磁場和檢測輸出電壓關(guān)系曲線即線性度大于±1%。4.5光濾波器生物傳感器英國南安普頓大學(xué)光電研究院的LuffBJ等研制了一種基于集成光波導(dǎo)方向耦合器的生物免疫傳感器,用來檢測抗體與抗原的結(jié)合反應(yīng)。集成光波導(dǎo)生物傳感器靈敏度高,可以將多個探測器集成在同一個芯片上同時傳感多個被測量。圖9是方向耦合器生物免疫傳感器示意圖和抗體與抗原結(jié)合示意圖。4.6抗光傳感器的結(jié)構(gòu)臺灣的南臺大學(xué)開發(fā)了一種基于光波導(dǎo)的血細胞計數(shù)器。這種血細胞計數(shù)器與以往的熒光標(biāo)定型血細胞計數(shù)器相比不需要復(fù)雜的光探測設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉。該傳感器的結(jié)構(gòu)如圖10所示。該傳感器通過檢測從波導(dǎo)2輸出的光脈沖的數(shù)量來計算血細胞的數(shù)量。實驗測得的光脈沖信號如圖11所示。4.7超聲波傳感試驗裝置歇根大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程部用波導(dǎo)環(huán)形腔進行高頻超聲波傳感,該傳感器靈敏度高,可以用來做進行圖像處理的超聲波傳感器陣列。圖12為波導(dǎo)環(huán)形腔結(jié)構(gòu)示意圖和超聲波傳感試驗裝置框圖。當(dāng)超聲波作用于環(huán)形腔上時,由于彈光效應(yīng)改變了波導(dǎo)的有效折射率,通過檢測共振波長的變化來進行超聲波傳感。4.8spr傳感器傳感器原理有研究機構(gòu)報道了基于SPR氫敏傳感器,其實驗裝置如圖13所示。這種傳感器是在波導(dǎo)芯層的表面蒸鍍一層適當(dāng)厚度的金屬鈀膜,當(dāng)鈀膜暴露于氫氣中它能敏感氫氣濃度的變化,鈀膜與氫氣介質(zhì)表面在光波的激發(fā)下,會產(chǎn)生表面等離子共振波,即構(gòu)成SPR氫敏傳感器。該傳感器可測量空氣中4%的氫氣,這種傳感器可以用來監(jiān)測氫氣在制造和儲存過程中的泄漏情況,以免氫氣含量過高發(fā)生爆炸。5加強氧傳質(zhì)傳感和氣體質(zhì)譜傳感近年來,高靈敏度的生化傳感器越來越受到重視,集成光波導(dǎo)生化傳感器的優(yōu)點是在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)分辨率高、靈敏度高、選擇性好、傳感速度快、體積小、價格便宜。另外在波導(dǎo)上包層涂對不同氣體敏感的材料,進行選擇性氣體傳感也很受重視。例如以上提到的基于氧氣熒光猝滅效應(yīng)進行氧氣傳感就是其中一例,也可以在上包層涂對二氧化硫敏感的燃料對空氣中的二氧化硫進行傳感。還有在上包層涂對不同的揮發(fā)性氣體進行選擇吸收的聚合物對其進行傳感。如上面提到的甲苯氣體傳感。基于新的導(dǎo)光機制和新結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)傳感器不斷出現(xiàn)。有研究者用防共振反射光波導(dǎo)(antiresonantreflectingopticalwaveguide,ARROW)進行傳感,基于防共振反射導(dǎo)光機制的波導(dǎo)損耗低,通過合理設(shè)計波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可以大大提高對傳感量的靈敏度。荷蘭科學(xué)家設(shè)計了一種新型的分段(segmented)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)傳感器,這種結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)點是對光源和波導(dǎo)制作工藝要求不高、靈敏度高、分辨率高、能夠探測到5×10-7的折射率的變化。該傳感器的結(jié)構(gòu)如圖14所示:集成光波導(dǎo)傳感器正在向減小傳感器尺寸、增加傳感功能、提高靈敏度的方向發(fā)展。4受壓力影響的傳感傳播這種基于馬赫-曾德爾干涉儀型壓力傳感器的原理是:用光纖將激光耦合到脊形波導(dǎo),波導(dǎo)分成傳感光波導(dǎo)和參考光波導(dǎo)兩路,分別構(gòu)成干涉儀的傳感臂和參考臂。傳感臂位于彈性薄膜的邊緣置于被測壓力的環(huán)境中,反映膜片所受的壓力信號;而參考臂不受膜片壓力的影響只傳送參考信號。壓力信號通過應(yīng)力與光傳播常數(shù)(包括光的偏振、相位和振幅等)多種轉(zhuǎn)換機制的關(guān)系實現(xiàn)。在整個過程中同時有兩個因素促使傳感臂光傳播相位的改變:一個是由