传感器装置以及用于检测流体中的成分的方法制造方法及图纸

描述了一种传感器装置(8)和一种分析流体中的成分的方法。该传感器装置包括：平面衬底，该平面衬底限定衬底平面；电磁波导，电磁波导形成波导谐振器(1)并且在平行于衬底平面(P)的波导谐振器(1)平面中沿长度方向(L)延伸，其中，电磁波导5由支撑结构(11，29)支撑在衬底(10)上，其中，电磁波导在垂直于长度方向的方向上具有在波导谐振器平面中的宽度(w)，并且在垂直于长度方向(L)的方向上具有超出波导平面的高度(h)。面的高度(h)。面的高度(h)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器装置以及用于检测流体中的成分的方法


[0001]本专利技术涉及包括用于引导电磁波的波导谐振器的传感器装置，并且涉及检测流体中的成分的方法。

技术介绍

[0002]使用各种气体和流体在可见光或红外(IR)波长范围内的吸收带进行光学感测是一种已确立的方法。
[0003]气体的吸收带对应于气体的折射率的变化并且对应于包含气体的流体的折射率的变化。
[0004]检测气体最常用的方法是测量流体折射率的虚部、即光学吸收率。吸收率可以在具有镜的腔中来进行测量，使得获得比腔的物理尺寸更长的有效相互作用长度。这种方法受到镜中的光学损耗的限制。为了制造具有长的光学路径长度的敏感装置，要么必须使用高质量的镜，要么物理路径、并且因此装置尺寸必须很长。对于许多应用，气体室的低气流和大容积限制了传感器的响应速度。
[0005]吸收率可以替代性地使用光子波导来进行测量，光子波导实现了小的物理体积中的长的光学路径长度，并且因此实现了小的装置尺寸。经探测的流体的体积在波导的整个长度上延伸，该长度必须是足够长的以提供检测响应。对于IR，光源可以是宽带热光源或激光器。如果使用的光源是宽带光源，为了获得光谱分辨率，于是需要进行光谱分析。检测器可以是热检测器或基于半导体的光子检测器。
[0006]WO 2017/003353描述了一种用于检测流体、比如气体中的成分的传感器装置。该传感器装置包括平面衬底、用于引导电磁波的波导以及从衬底延伸至波导的支撑结构。一种用于检测气体中的成分的方法包括以下步骤：提供与气体接触的波导，将电磁波传输到波导的第一部分中，允许电磁波与流体在波导周围的电磁波的消逝波的区域中相互作用，以及检测波导的第二部分处的电磁波。气体中的成分基于在第二部分处检测到的电磁波来确定。支撑结构的宽度沿着波导的长度方向变化，并且波导由具有第一组成的材料制成并且支撑结构由具有第二组成的材料制成。以这种方式，支撑结构对波导特性的影响被降低。为了最小化支撑结构对波导特性的影响并增加传感器装置的灵敏度，使波导部分地自由悬置是有利的。
[0007]测量流体的光学吸收率需要对光学信号的强度变化进行测量。这种测量受到例如由于光源的输出中的波动引起的强度的杂散波动的影响并且受到光检测器的可能的非线性的影响。测量的动态范围受限于检测器的动态范围并且受限于光学信号的噪声。
[0008]对于吸收高于光的10％至30％的高吸收流体，吸收率与气体浓度之间的关系不是线性的。
[0009]气体的吸收带也对应于流体折射率的实部、即色散的变化。气体的吸收率与色散之间的关系、即折射率的实部与虚部之间的关系被描述为克莱默
‑
克朗尼格(Kramers
‑
Kronig)关系。
[0010]谐振腔是硅光子学的关键部件，因为其占地面积小并且能够过滤和发送窄带信号。光子环形谐振器是一种腔。当环形波导的光学路径长度是激发波长的倍数时，所述环表现出驻波谐振。因此，通过改变环的光学长度、例如通过扰动波导模式的有效折射率，可以调谐谐振波长。可调谐环形谐振器在需要选择或动态调谐波长通道的集成光学网络中得到应用。这种应用的示例包括波分复用器(WDM)的漂移补偿、包括可重新构型的光学分插复用器(ROADM)的光学波长路由器、宽带开关、四波混频器波导镜、光学角动量发射器和可调谐激光器。某些应用需要具有独立调谐、即相邻装置之间低串扰的环形谐振器。
[0011]由自由载流子注入调谐的环形谐振器已经实现了高速调谐。然而，自由载流子吸收导致高的光学损耗和短的波长偏移，这限制了其在分插应用中的实用性。环形谐振器的热光调谐已经表现出具有低光学损耗的大波长偏移，但是高功耗和相邻装置之间的热串扰阻碍了其在密集集成的光学互连中的应用。由于制造复杂性，具有低静态功耗的电光材料的集成迄今已经表现出低调谐效应、高驱动电压和光学干涉。
[0012]MEMS可调谐环形谐振器由于其低静态功耗和高光学Q值而成为用于波长选择的良好候选。
[0013]热光调谐环以功耗比静电调谐环的功耗至少高四个数量级的代价表现出更大的FSR和调谐范围。高功耗也是载流子注入调谐的一个问题，结合载流子吸收，导致三倍大的带宽。在低功率装置中，电光材料的集成与CMOS不兼容，并且存在尺寸限制。MEMS致动环可以提供大的调谐范围和调谐速率。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种装置，该装置包括形成波导谐振器的电磁波导，利用该装置使得现有技术中的至少一个问题得以缓解。
[0015]特别地，本专利技术的目的是提供一种传感器装置，该传感器装置可以基于对流体色散的测量而不是对流体吸收率的测量，也就是说，该装置可以基于对谐振波长位置的测量而不是基于对光学信号强度的测量；该装置可以比基于吸收率感测的装置小，并且该装置能够探测极少量的流体。此外，这种装置不受杂散光强度波动的影响。
[0016]本专利技术的另一目的是提供一种分析流体中的成分的方法，该方法基于对流体色散的测量而不是对流体吸收率的测量，也就是说，该方法中使用的装置可以基于对谐振波长位置的测量而不是基于对光学信号强度的测量；该装置可以比基于吸收率感测的装置小，并且该装置能够探测极少量的流体。
[0017]以上目的通过根据独立装置权利要求所述的装置和根据独立方法权利要求所述的方法来实现。
[0018]通过从属权利要求的特征实现了进一步的优点。
[0019]根据本专利技术的第一方面提供了一种传感器装置，该传感器装置包括：平面衬底，该平面衬底限定了衬底平面；电磁波导，电磁波导形成波导谐振器并且在平行于衬底平面的波导谐振器平面中沿长度方向延伸，其中，波导由支撑结构支撑在衬底上，其中，波导在垂直于长度方向的方向上具有在波导谐振器平面中的宽度，并且在垂直于长度方向的方向上具有超出波导平面的高度。
[0020]根据本专利技术的传感器装置可以用于检测流体中的成分。
[0021]流体可以是气体，但是流体也可以是液体。
[0022]在流体是气体的情况下，气体可以是气体比如空气的混合物，但也可以是纯气体。传感器装置可以构造成使得具有位于待检测成分的吸收线的光谱附近的至少一个谐振。
[0023]通过将波导谐振器构造成在待检测成分的吸收线的光谱附近具有至少一个谐振，可以提供在待检测成分的吸收线的光谱附近的至少一个谐振。
[0024]传感器装置可以包括用以修改波导谐振器的波导模式的有效折射率的实部的装置，使得传感器装置的一个或更多个谐振以可变度量与待检测成分的吸收线重叠。
[0025]用以对波导谐振器的波导模式的有效折射率的实部进行修改的装置可以包括用于加热波导谐振器的加热器。
[0026]用以对波导谐振器的波导模式的有效折射率的实部进行修改的装置可以包括接近波导谐振器的波导类结构和用于对波导类结构与波导谐振器之间的几何关系进行调节的装置。
[0027]用于对波导类结构与波导谐振器之间的几何关系进行调节的装置可以包括铰接膜和用于移动该膜的装置，波导类结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器装置(8)，包括：平面衬底，所述平面衬底限定了衬底平面；电磁波导，所述电磁波导形成波导谐振器(1)并且在平行于所述衬底平面(P)的波导谐振器(1)平面中沿长度方向(L)延伸，其中，所述电磁波导由支撑结构(11，29)支撑在衬底(10)上，其中，所述电磁波导在垂直于所述长度方向的方向上具有在所述波导谐振器平面中的宽度(w)，并且在垂直于所述长度方向(L)的方向上具有超出所述波导平面的高度(h)。2.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，所述波导谐振器(1)沿着所述长度方向、沿着任意数目的部分自由悬置。3.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，电磁波的真空波长在0.1μm至100μm的范围内。4.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，所述装置包括用以修改所述波导谐振器(1)的波导模式的有效折射率的实部的装置。5.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，电磁辐射源(31)安置在相同的衬底(10)上，使得将电磁辐射耦合至所述波导谐振器(1)。6.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，电磁辐射的检测器(31)安置在相同的衬底(10)上，使得耦合来自所述波导谐振器(1)的电磁辐射。7.根据权利要求1所述的传感器装置(8)，其中，所述波导谐振器(1)的谐振模式的模式体积低于1mm3。8.根据权利要求1所述的传感器装置，包括形成总线波导(13)的第二电磁波导，所述第二电磁波导在平行于所述衬底平面(P)的波导平面中沿长度方向(L)延伸，并且被安置成实现所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗洛里亚，
申请(专利权)人：卡洛斯，
类型：发明
国别省市：