（光学专业论文）双面金属包覆波导的应用研究.pdf

i 双面金属包覆波导的应用研究双面金属包覆波导的应用研究 摘摘 要要 基于双面金属包覆波导的衰减全反射（atr）效应，本文提出了 位移测量和波长检测的新方法，并分析了波导的不平行度如何影响 atr 谱以及双面金属包覆波导传感器的灵敏度。 在光波频段，金属的介电系数实部为负值，其绝对值比虚部大很 多，因此利用双面金属包覆波导，能够观察到 atr 现象。采用一定 的耦合技术，可以激发双面金属包覆波导中的导波和表面等离子波， 以此为探针，能够测量各种物理量、化学量、生物量。如果双面金属 包覆波导的导波层很厚，它能承载的模式数目就很大。本论文使用棱 镜耦合技术和自由空间耦合技术，激发波导中的超高阶导模。 双面金属包覆波导中超高阶导模， 对于波导各个参数的变化都非 常灵敏， 基于这种特性本文提出了一种位移测量的新方法和一种波长 检测的新方法。本文中方法的特点是，不是去测量共振入射角，而是 直接测量从波导反射的光的强度，来计算待测量的变化量。和测量共 振角的方法相比，这种方法的优点，在于它测量的时候，工作点一旦 固定了以后，就不再需要角度扫描，这样的仪器便于小型化，另外由 于测量光强比较方便快捷，可以实现真正意义上的实时测量。通过实 验，实现了精度为 3.3pm 的位移测量，和精度为 1pm 的波长检测。 本文从理论上研究波导的不平行度对 atr 谱及传感器灵敏度的 影响。在简单的解析分析的基础上，对于各种不同倾角的波导进行数 值模拟。所模拟的波导，有棱镜耦合和自由空间耦合两种结构，所模 ii 拟的待测物理量， 有位移和波长。 模拟的结果给出两个的临界倾斜角。 倾斜角超过 1rad，波导仍然可以传感，但其灵敏度已经和理想波导 有显著差别；超过 100rad，atr 曲线的形状将会消失，波导将失去 传感作用。 关键词：关键词：双面金属包覆波导、衰减全反射、位移测量、波长检测、不 平行度 iii application research of symmetrical metal cladding waveguide abstract based on the attenuated total reflection (atr) effect of symmetrical metal cladding waveguide, measurement technique of the displacement and the wavelength monitoring method have been proposed. the effect due to waveguide nonparallelism on the atr spectra and on the sensitivity of sensors based on symmetrical metal cladding waveguide has been analyzed. in the visible and near infra-red spectra, the real part of the permittivity of the metal is minus and its absolute value is much larger than that of the image part, therefore, it is easy to demonstrate atr effect. by the prism coupling method and the free space coupling method, guided wave can be excited in a symmetrical metal cladding waveguide. with the thickness of the guiding layer being wide enough, the ultrahigh-order modes of the symmetrical metal cladding waveguide, which are considered to be very sensitive to the parameters of the guiding layer, can serve as a probe to the measurement of physical, chemical, and biological quantities. owing to the high sensitivity of the ultrahigh order modes to waveguide parameters in symmetrical metal cladding waveguide, a new method of displacement detection and a wavelength monitoring technique have been proposed. in the proposed methods, the intensity of the reflected light, instead of the resonant angle, is used to measure the detected quantity, which is different from that in previous works. the iv advantage of this method lies in that no angular scanning is needed once the working point is fixed, which benefits equipment miniature, and in that it is easy to realize real time measurement. in our experiment investigations, displacement measurement with resolution of 3.3pm and wavelength monitoring with resolution of 1pm have been realized. the effects on atr spectra and the sensitivities of relative sensors due to nonparallelism of waveguides are theoretically studied in this thesis. simulations are carried on after simple analytical study. the simulations cover both prism coupling structure and free space coupling structure, both displacement detection and wavelength monitoring. two critical tilting angles are obtained from the simulation results. when the tilting angle exceeds 1rad, the sensitivity begins to obviously deviate from that of the ideal waveguides, and when the tilting angle exceeds 100rad, no atr spectra can be observed and the waveguide can not be used as a sensor. key words：key words：symmetrical metal cladding waveguide, attenuated total reflection, displacement measurement, wavelength monitoring, nonparallelism 1 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冯耀军 日期： 2007 年 2 月 28 日 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 冯耀军 指导教师签名：曹庄琪 日期： 2007 年 2 月 28 日 日期： 2007 年 2 月 28 日 1 第一章第一章 绪论绪论 在超高精度几何参量和运动参量的测量中，位移探测器都有着广泛的应用， 例如定位、表面轮廓测量和振动等。这些测量在桥梁、汽车、航天、军事等领域 都很重要。 当前， 精密加工技术、 精密感应技术、 光通讯工程和微机械电子 （mems） 领域的快速发展，使得人们对位移测量的兴趣快速的拓展,对于精度的期望，也 同样快速提高。速度和加速度，分别是位移对于时间的一阶导数和二阶导数，所 以只要精确实时测量了位移，速度和加速度就能够精确地计算。传统上的加速度 传感，主要有两种，一种基于电容，另外一种基于热对流 1,2。随着精密定位技 术的发展，对位移、速度以及加速度的测量，精度要求也越来越高。 近年来，通信容量的需求不断增大，在密集波分复用（dwdm）系统中， 随着信道数目的增多，信道间隔变小了。这样的通信系统，一方面需要波长可以 选择的光源，以配合 itu-t 标准，满足多信道通信的需求；另一方面需要精密 的波长锁定技术，以防止各信道间的串扰。波长锁定的前提是波长漂移的监测。 1.1 位移测量的研究概况位移测量的研究概况 精密位移测量有电学、光学、量子学等多种方法。传统上广泛使用的光学位 移测量技术，常常需要计量条纹的数目，而条纹的数目常常不是整数。这些方法 涉及到双臂干涉和对干涉图样条纹的数据分析，有的还需要相关的算法，这些要 求，常常会使系统变得相当复杂，并给测量结果带来了极大的不确定性。 光纤光学传感器发展起来以后， 基于光纤力学特性和光学特性的光纤加速度 传感器，得到广泛应用 3,4。zhu 等人5提出了基于衰减全反射技术的加速度传感 器，但是由于其探针是表面等离子波，表面等离子波在横向上是一个衰逝场，其 灵敏度大大受到了限制。 1.2 波长检测的研究现状波长检测的研究现状 近年报道了多种波长漂移监测方法 6-9。kim 等人用温控法布里珀罗标准 具 6，开发出一个光栅分布布拉格反射激光模组，实现了 4pm 的波长锁定。用温 2 控标准具做特殊设计的波长锁定器，提供了一致性非常好的波长监测的数据，在 间隔为 25ghz 的 188-itu 通道（37nm） ，实现了非常稳定的波长锁定。使温度 在-5o65o之间变化，激光器的频率可以锁定在ghz5 . 0，模组的总功耗小于 4w。 光通过二极管激光器（ld）以后，功率比较集中，lee 等人用一个低能耗的 ld，通过探测它的节电压 7，使监控精度达到 10pm，这种波长监测方法精度高， 集成性好，不受输出功率的干扰。在二极管激光器内部，加上一个法布里珀罗 腔，可以使测量精度提高一个数量级。在对探测光路的要求比较宽松的情况下， 可以实现 0.01nm 的波长分辨率。这个波长监测的精度，所能允许的入射光功率 变化，可达 15db。 teshima 等人基于波导阵列光栅 8（awg）的波长交叉，提出了一个多波长 实时监测（msm）光路。这个 msm 光路的组件有：一个波导阵列光栅（awg） ； 一个有稳定输出的半导体激光器， 其出射光作为参考光； 一个对数放大器。 awg 的核心部件，是一个简单的平面光波导，它的作用相当于多根光纤，使得同时测 量多个波长成为可能。半导体激光器的输出光，稳定在 c2h2 的 1547.49nm 吸收 线，msm 光被锁定在这个波长上。他们的分辨率达到了 10mhz。在偏振稳定的 情况下，他们输出光频的稳定性能达到 30mhz；在偏振态任意变化的情况下， 测量精度也能好于 8pm。 利用可调谐激光器， 验证了利用这种方法进行波长监控 的可行性。 park 等人利用光纤光栅 9，提出一个简单有效的波长锁定方法，把波长漂移 限制在 10pm 以下。通过简单的绝热包装，光线光栅具备了另外一个优点，即温 度变化时，其波长仍十分稳定。通过分级测量，避免了通常采用的复杂电路。这 种方法， 应用到分布反馈激光二极管， 和一个集成了电吸收调制器的激光二极管， 都取得了成功。 1.3 衰减全反射的应用及进程衰减全反射的应用及进程 由于衰减全反射（atr）谱的高灵敏特性，它广泛地应用于物理量的测量及 生物化学传感。这些应用，原理都是来自于模式本征方程对于折射率、厚度等参 量的依赖关系。 3 1.3.1 物理量的测量物理量的测量 atr 技术广泛应用于各种物理量的传感，如折射率、电光系数、压电系数、 非线性光频介电系数的测量，液晶和聚合物等各向异性介质的光学特性等。atr 传感有两种方式，一种基于共振传播常数的测量，一种基于反射光强度的测量。 本实验室的尚有魁学长采用自由空间直接耦合的技术 10，在频率 500hz 的 交变电压下测量了 lbo 晶体的电光系数和压电系数。lbo 晶体采用 z 切，加工 成 2mm 的薄片，作为导波层，厚度 h1=34nm 的金膜作为耦合层，厚度 h3=300nm 的金膜作为衬底。对于波长为 832nm 的激光，金膜的介电常数为 1= -20+1.5i。 尚有魁学长通过实验测得，所使用的 lbo 晶体的压电系数和电光系数分别为 12 33 19.45 10d =c/n、 12 13 2.95 10 =m/v。 atr方法可以用来研究各向异性介质的光学持性。为研究方便，atr实验样品 及装置，大都做成波导结构，因为这样，反射光信号包含一些波导谐振模，便于 反映介质内部性质。液晶作为一种应用非常广泛的平板显示材料，其光学特性及 其分子在液晶盒内的排列特性，对显示器件的设计及制造极为重要。atr方法为 研究这些特性提供了便利的条件，因此引起了广泛的关注 11-12。1980年，chao等 人将atr方法应用于胆甾相液晶的研究；之后，sprokel等人在研究向列相液晶的 预倾角时，应用了此方法；lavers等人对此方法进行改进，广泛地应用到液晶的 研究之中 11。清华大学的杨傅子等人，利用atr方法，来研究液晶盒内分子的方 向排布 12。 1.3.2 化学传感化学传感 在化学atr传感器中，传感层常常由聚合物构成，如聚硅氧烷、聚乙烯、聚 四氟乙烯等。各向同性光学聚合物薄膜，可以用甩胶法 13或者浸涂法14制作。有 机材料薄膜，如酞化青染料、聚苯胺等，可以使用甩胶法 15，或者langmuir- blodgett技术 16。与甩胶法相比，langmuir-blodgett技术控制厚度的能力更强， 能够形成单分子层的薄膜。 在特定的系统中，受限于系统的复杂性，样品浓度的传感常常就简化为折射 率的测量 17。化学反应或者吸附效应将导致光学特性，即atr谱的变化，这就是 4 很多化学传感器的原理。样品分子的吸附效应将引起折射率的变化，基于这种效 应，发展出了很多应用，包括通过氟硅聚合物薄膜的吸附效应，监测氯化烃蒸汽 的浓度 18；通过聚二甲基硅氧烷薄膜的吸附作用监测四氯乙烯蒸汽的浓度14；通 过聚四氟乙烯薄膜的吸附效应，监测芳香烃蒸汽的浓度 13；等等。 chadwick等人证实，使用钯作为活性金属的atr器件 19,20能够有效地探测到 氢原子，因为氢原子能够大量地附着在钯分子上面。1996年，ashwell和rorberts 报道了一种no2的探测方法， 他们发现，no2能够在金膜上 21发生化学吸附效应。 采用类似的方法，zhu等人实现了no2的探测，薄膜材料是铜 16；vukusic等人实 现了no2的探测，薄膜材料是钴酞青染料 22；agbor实现了no 2和h2s的探测 23， 薄膜材料是聚苯胺。gent等人报道了一种利用atr效应探测nh3气体的方法 24， 他们的方案是监测氨水和溴甲酚紫薄膜的化学反应。 1.3.3 生物传感生物传感 1983年，liedberg第一次用atr方法实现了生物传感 25。在生物传感器中， 传感介质通常形成一个生物分子层或者生物分子矩阵， 它们能够将样品分子束缚 住。atr方法已经应用于多种生物分子反应，如抗原抗体反应、受体配合基 反应、荷尔蒙受体反应等。 一般而言， 金属表面的生物分子束缚并不适用于生物传感， 因为金属表面生 物分子的附着面通常比较小，活性比较差，并且容易发生其它物质的意外吸附。 理想的表面吸附化学材料应该能够稳定高效地吸附配合基等分子， 并且尽量减少 其它分子的意外吸附，当前已经开发了许多符合这种要求的化学材料。例如，一 种方法是，在一层金膜上面展开一层脂质体 26，由于金膜表面的疏水性，脂质体 在金膜上展开是可能的。另外一种方法 27，是通过自组硫醇分子单层，以在一层 金膜上面形成生物分子团簇，然后配合基可以束缚在生物分子团簇上，形成配合 基分子单层。利用表氯醇，自组硫醇分子单层可以实现右旋糖苷在表面的共价束 缚。 右旋糖苷用碘醋酸处理过以后， 形成的羟基团簇可以用很多方法束缚配合基。 在大多数情况下，羟基可以用nhs或者edc激活，然后把配合基耦合成一个功能 团，如nh2就称为可能。另外一种可能，是三甘胺酸和组织氨基酸捕获被标记的 配合基。 5 继liedberg之后，1994年lundstrom第一次利用atr方法实现了生物选择性反 应的实时分析 28，此后，他的方法常常用来检测生物分子相互作用中的运动和热 力学常数。 在直接生物传感器中， 样品的测量， 通常通过束缚反应的探测来进行， 但是， 小分子所引起的折射率的变化量，在spr方法中通常太小，不足以被测量到，所 以在spr广泛应用的大环境下，就需要更好的化验方法。早期的工作，主要集中 于抗原抗体反应、受体配合基反应、荷尔蒙受体等反应几类。目前有一个 新的领域，即蛋白质蛋白质相互作用，蛋白质dna相互作用，甚至是蛋白 质分子内部的形变的探测 29,30。肿瘤抑制蛋白31，以及带有单克隆抗体的人体糖 蛋白 32，也都渐渐地进入了研究的范围。 1990年，瑞典的biacoreab公司，推出了第一款生物传感器，开启了atr传 感器的商业化进程。此后，biacoreab的技术不断更新换代，在速度、产量、精 度等方面精益求精。后来，又陆续推出了多款生物传感器。随着市场需求的不断 扩大，美国的德州仪器公司也开始研发生物传感系统。无论是biacoreab，还是 德州仪器，用的还都是一种角度扫描的装置，这种装置在第二章和第三章的工作 中，也反复应用。此外，美国的quantech公司，开发了一套利用光栅结构进行波 长扫描的设备，但是，其普及程度，还远远不及角度扫描。 1.3 本论文的主要内容本论文的主要内容 本论文研究双面金属包覆波导的atr效应在位移测量和波长检测上的应用， 并讨论波导的不平行度对于atr曲线以及波导传感器的灵敏度的影响。 全文共分 五章。 第一章绪论，分析了位移测量和波长检测的研究现状，回顾atr应用于物理 量、化学量、生物量的传感的研究进程。 第二章介绍了双面金属包覆波导的模式及衰减全反射的原理， 为本论文的研 究提供理论支持。 针对当前位移测量和波长检测的不足， 第三章基于双面金属包覆波导和衰减 全反射效应，提出了一种位移测量的新方法，和一种波长检测的新方法。就双面 金属包覆波导的这两项应用，从理论解析、数值模拟和实验三个角度展开讨论， 6 详细地分析其可行性和测量的精度。 第四章探讨波导不平行度的影响。当波导的各平面之间不严格平行时，其衰 减全反射曲线将偏离理想波导的衰减全反射曲线， 波导传感器的灵敏度也将受到 影响。本文给出一种数值模拟的方法，并结合本文的位移测量和波长检测，进行 实例分析。模拟的结果给出两个的临界倾斜角。倾斜角超过第一个临界角，波导 仍然可以传感，但其灵敏度已经和理想波导有显著差别；超过第二个临界角，将 会看不到atr曲线，波导将失去传感作用。 第五章总结全文。 7 参考文献参考文献 1 iafolla v. and nozzoli s., “italian spring accelerometer (isa) a high sensitivity accelerometer for bepicolombo esa cornerstone”, 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with a monoclonal antibody selected for its binding kinetics using surface plasmon resonance biosensor,” j. immun. methods, 1998, vol. 211, pp191-197. 10 第二章第二章 双面金属包覆波导双面金属包覆波导 2.1 介质平板波导介质平板波导 一个最简单的介质平板波导的结构如图 2.1 所示 1，由三层材料组成。中间 一层是的导波层，折射率为 1 n ，下面一层为衬底，折射率为 0 n ，上面是覆盖层， 折射率为 2 n 。导波层的厚度一般为微米量级，可与光波长相比较。为了把光波限 制在导波层中，要求导波层的折射率 1 n 大于 0 n 和 2 n 。如果 20 nn=，则该波导为 对称波导，如果 20 nn，则波导是非对称的。 图 2.1 介质平板波导 fig 2.1 dielectric planer waveguide 设波导在 z 方向上无限延伸，且导波层的宽度远大于它的厚度。在这种假设 条件下，可认为平板波导中的光场只在一个方向上受到限制，将它选为 x 方向， 并设平板波导的几何结构和折射率分布沿 y 方向不变，即折射率分布 n(x)只是 x 的函数，相应的模场也只是坐标 x 的函数，于是可令 0 y = (2.1) 设 h 为导波层的厚度，则折射率分布 n(x)可以写为 11 2 1 0 0 ( )0 nx n xnhx nxh + = ， 并且ey在波导的三层介质中都是指数函数形式。 由于ey及其导数必须在两个界 面连续，所以最后的场分布应该如图2.2(a)所示。场随着离开波导两界面的距离 而无限止增加，这个解在物理上是不能实现的，因此它并不对应于真实的波。 (2) 对于 1000 nknk，对应于如图2.2中(b)和(c)两点的情况，因为 22 (1/)(/)0 yy eex，由方程(2.6)可知，在导波层中的解是正弦或余弦形式的， 但是在衬底和覆盖层中则是指数形式的。 这样可以得到一个满足边界条件并在衬 底和覆盖层中指数衰减的解。 这些解如图2.2中(b)和(c)所示。 由于这些模式所携 13 带的能量基本上被限制在导波层内，因此这些模式被称为束缚模或导模。 (3) 对于 0020 nknk，方程(2.6)的解对应于覆盖层中的指数函数，导波 层和衬底中的振荡函数，如图2.2（d）所示。这些模式称为衬底辐射模。 (4) 对于 20 0nk，且导波沿z方向传播,传 播常数为。根据以上分析可知，对导模而言，衬底和覆盖层中场呈指数衰减形 式，而在导波层中的场是振荡的。因此平板波导三个区域中te模的电场分布为 0 11 2 exp()(0) exp()exp()(0) exp()() y ap xx ebixcixxh dpxhhx =+ + (2.8) 式中, a、b、c、d 是待定常数。若把(2.8)式代入波动方程(2.6)则可得 222 1/2 101 222 1/2 000 222 1/2 202 () () () k n pk n pk n = = = (2.9) 1 是导模沿x方向的传播常数，p0和p2和分别是衬底和覆盖层中场的衰减系数。 根据边界条件，可知ey和hz在边界上连续。利用ey在x=0和x=h界面上 连续和/ y ex在x=0界面上连续的条件，分别可得 10 11 () exp()exp()0 bca ibcp a bihcih += = += (2.10) 可见， b、c、d都可以用a表示，这样ey(x)可表示成如下形式 0 110 10 1102 10 exp()(0) ( )cos()(0) cos cos()exp() () cos y ap xx a exxxh a xpxhhx = + (2.11) 14 上式中 1 1001 tan (/)p =，再利用/ y ex在x=h界面上连续的条件，可得 2 110 1 tan() p h = (2.12) 或写成位相型方程 11012,( 1,2,3,)hmm=+=l (2.13) 其中 1 0 10 1 tan p = (2.14) 1 2 12 1 tan p = (2.15) 这里是导模的传播常数, 1是导模在导波层中的横向振荡常数， 而p0和p2分别 是衬底和覆盖层中电磁场的横向衰减系数，m称为导模的模阶数。由于1、p0、 p2都是的函数，因此可通过本征方程(2.1)求出模式本征值 。 (2) tm导模 对tm模，模式本征方程为 22 11 0112 1 22 0121 tan ()tan () pnnp hm nn =+ (2.16) 为了方便，定义波导的有效折射率 1 0 sinnn k = (2.17) n 又可称为模折射率或模指数，易知它的取值范围是 01 nnn (2.18) 利用有效折射率， 可将平板波导的模式本征方程改写成以下两种物理意义更 明确的形式： te模： 2222 22 1/211/211/2 02 10 2222 11 ()tan ()tan () nnnn nnk hm nnnn =+ (2.19) tm模： 222222 22 1/211/211/2 0112 10 222222 0121 ()tan()()tan()() nnnnnn nnk hm nnnnnn =+ (2.20) 15 te、tm的模式本征方程可以通过图解方法和数值分析方法求解。图2.3是通 过求解本征方程得到的波导的色散曲线。从图上可以看出，波导厚度越大，可 以承载的导模也越多。 图 2.3 对称介质波导的色散曲线 fig 2.3 dispersion curve