集成光波导传感器是基于折射率变化的器件，已被广泛研究并应用于环境检测和生化传感中。由于它们具有高灵敏度，可片上集成，抗电磁干扰以及能与当前光纤通信系统完美连接等优点，因此可作为构建智能物联网传感系统的光学传感器。由于大部分光波导材料SiO2，Si3N4，Si和聚合物等材料是无源的，只能作为光传输的载体，因此不可避免地需要对波导进行功能化以实现特定的化学传感，波导表面功能化可以通过功能材料的沉积，SiO2上的硅烷偶联反应或功能材料的片上生长来实现。光学聚合物是最重要的波导材料之一，它的溶液折射率可灵活调节，且通过溶液加工，成本较低，许多功能性聚合物材料都可应用在光波导传感器上。在波导中使用光学聚合物的一个非常显著的优点是可以在近红外区域中选择波导的工作波长，如通讯波长1550nm。除此之外，与吸收或荧光光谱检测相比，它不会因使用短波长紫外线激发而引起光降解，因此可利用光学聚合物的光漂白特性来制造波导。
工作介绍
研究人员首先根据聚碳酸酯材料的特性，通过对材料进行曝光，证实了它的折射率会随曝光时间的增加而降低，因此可选择性的调节折射率，并作为光波导的上包层进行传感。
图1 (a)用NLO发色团合成EOPC(蓝色:电子供体;绿色:电子桥;红色:电子受体);插页:硝基苯(NB)和提出的共轭分解光漂白;(b)基态和激发态下发色团的分子内电子分布;(c)光漂白后的吸收光谱变化，箭头表示吸收强度变化趋势;(d)不同时间下光漂白引起的RI变化(波长:365纳米，功率密度4.3 mW cm2)
通过仿真模拟，研究人员确定了非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)的尺寸和结构，选取了合适的非等宽的聚合物波导以获得理想的消逝场强度。通过光刻、显影制作了如下图所示的非对称干涉仪，并对宽臂波导敏感包层聚碳酸酯进行了紫外曝光调控消逝场强度，使两臂消逝场强度差异变大，用于高灵敏的硝基苯气体检测。
图2 (a) MZI的三维结构;(b)两臂横截面;(c)宽臂和窄臂(d)的模场分布
最后，研究人员把制作好的两个AMZI器件放到光学耦合平台上进行测试，测试结果为紫外曝光80分钟的AMZI传感器的波长偏移量为6.8 nm，曝光40分钟的AMZI传感器的波长偏移量为3.5 nm，整个器件的灵敏度得到了较大的提高，与理论设计相符合。
图3 用于NB蒸汽检测的MZI传感器的透射光谱(a和b)和随时间变化的波长漂移量变化(c和d)
在本研究工作中，我们充分利用了聚合物的多功能性，消逝场强度调控更为简单方便，器件制作只需一步曝光/显影，且波导干涉仪尺寸小，只需要检测光强，便于后期的集成封装为便携式装备，这为低成本、高性能的便携式爆炸物检测仪的研究提供了一种切实可行的方案。
本团队的郑又彬硕士为文章的第一作者，指导老师吴杰云副教授为通讯作者，陈开鑫教授为共同通讯作者，合作单位包括香港城市大学和成都师范学院。近两年，集成光学器件团队在光波导器件的传感与探测方面取得了一系列成果，研制了高灵敏度波导紫外光探测器[1]、微流激光爆炸物传感器[2]、低成本聚合物波导爆炸物传感器[3]、金属-有机框架光纤气体传感器[4]等，发表了一系列高水平论文。
参考文献：
[1]. Jiang Lianzhong, Wu Jieyun*, Li Qing, Deng Guowei*, Zhang Xiaoling, Li Zhonghui, Chen Kaixin, Chiang Kin Seng*, A photochromic dye doped polymeric Mach-Zehnder interferometer for UV light detection, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7, 6257~6265 (封面)
[2]. Wu Jieyun#*, Fan Maowen#, Deng Guowei, Gong Chaoyang, Chen Kaixin, Luo Jingdong, Chiang Kin Seng, Rao Yun-Jiang, Gong Yuan*, Optofluidic laser explosive sensor with ultralow detection limit and large dynamic range using donor-acceptor-donor organic dye, Sensors and Actuators B: Chemical, 2019, 298, 126830
[3]. Jiang Lianzhong, Wu Jieyun*, Chen Kaixin, Zheng Youbin, Deng Guowei*, Zhang Xiaoling, Li Zhonghui, Chiang Kin Seng*，Polymer waveguide Mach-Zehnder interferometer coated with dipolar polycarbonate for on-chip nitroaromatics detection，Sensors and Actuators B: Chemical, 2020, 305, 127406.
[4]. Wu Jieyun*, Zhang Wanying, Wang Ying*, Li Binghui, Hao Ting, Zheng Youbin, Jiang Lianzhong, Chen Kaixin, Chiang Kin Seng*, Nanoscale light–matter interactions in metal–organic frameworks cladding optical fibers, Nanoscale, 2020, 12, 9991-10000 (封面)