長周期聚合物波導(dǎo)光柵溫度、壓力傳感器設(shè)計(jì).pdf

1、長周期光柵(Long-period Grating，LPG)在光纖放大器增益平坦化器件、帶阻濾波器、各種光耦合器件、傳感器等領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用前景。目前，長周期光纖光柵(Long-period Fiber Grating，LPFG)的研究已比較成熟，有一定數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，研究人員的目光正逐漸轉(zhuǎn)向長周期波導(dǎo)光柵(Long-period Waveguide Grating,LPWG)。由于在材料選擇、制備工藝、結(jié)構(gòu)類型等方面的優(yōu)

2、勢(shì)，波導(dǎo)光柵具有很大的發(fā)展?jié)摿Α１疚闹饕脧?fù)合平板波導(dǎo)模式理論和矩形波導(dǎo)的有效折射率法(Effective Index Method，EIM)，對(duì)LPWG的溫度敏感性和壓力敏感性進(jìn)行理論分析和數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)出基于聚合物L(fēng)PWG的溫度傳感器和壓力傳感器。 本文將復(fù)合平板波導(dǎo)模式理論與EIM相結(jié)合，建立了多層矩形波導(dǎo)的有效折射率方法模型。用此模型處理常見的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)凸起型波導(dǎo)、脊型波導(dǎo)、加載型波導(dǎo)和嵌入型波導(dǎo)的模式特性進(jìn)行比

3、較，結(jié)果表明加載型波導(dǎo)導(dǎo)模和覆蓋層模有效折射率相差較大，有利于獲得較大的LPWG溫度和壓力敏感性。 由LPG相位匹配條件推導(dǎo)出LPWG共振波長對(duì)溫度和壓力的敏感性公式，并對(duì)此公式進(jìn)行分析。結(jié)果表明，影響溫度敏感性的主要因素是導(dǎo)波層和覆蓋層材料的熱光效應(yīng)；而影響壓力敏感性的_主要因素是導(dǎo)波層和覆蓋層的彈光效應(yīng)，以及導(dǎo)波層的彈性形變。導(dǎo)波層和覆蓋層材料折射率較接近時(shí)，波導(dǎo)的單模傳輸條件較寬，獲得的溫度和壓力敏感性也較高。除了材料折射

4、率外，導(dǎo)波層和覆蓋層薄膜厚度也是影響敏感性的重要因素，而波導(dǎo)芯層寬度對(duì)溫度和壓力敏感性幾乎沒有影響。 在LPWG設(shè)計(jì)中，一方面要考慮溫度和壓力敏感性的數(shù)值大小(主要由模式色散系數(shù)決定)，另一方面要優(yōu)化相同條件下溫度和壓力敏感性的比值R，它反映了LPWG對(duì)溫度敏感和壓力敏感相互干擾的抑制作用。數(shù)值結(jié)果表明，導(dǎo)波層和覆蓋層材料的熱光系數(shù)相差較大的LPWG溫度敏感性較高，如以Epoxy(Optocast 3505)為覆蓋層在SiO2/

5、Si襯底上制備COP(Cyclo-olefin Polymer)加載型波導(dǎo)，可以獲得-82.82 nm/℃的溫度敏感性，同時(shí)壓力敏感性低于1.38×10-5nm/Pa。而導(dǎo)波層和覆蓋層材料熱光系數(shù)相同或相近的LPWG溫度敏感性很小，這種效應(yīng)主要應(yīng)用于壓力傳感器中，以抑制溫度的干擾，如以PMMA(Polymethyl-methacrylate)為覆蓋層在SiO2/Si襯底上制備BCB(Benzocyclobutene)加載型波導(dǎo)，可以設(shè)計(jì)