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專利名稱：一種基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體折射率檢測器，特別是涉及一種基于光子晶體的十字形線缺陷波導(dǎo)氣體折射率檢測器。
背景技術(shù)：
光子晶體從1998年到現(xiàn)在取得了巨大的發(fā)展，越來越多的科學(xué)家和企業(yè)家開始關(guān)注光子晶體的發(fā)展。二維光子晶體由于相對容易制造以及所具有的許多光學(xué)特性，在各種研究中受到關(guān)注。光子晶體的重要特性是光子禁帶的存在。在光子晶體中引入缺陷后由于缺陷模的出現(xiàn)，就可以對光子晶體進(jìn)行控制。如引入點(diǎn)缺陷組，可以實(shí)現(xiàn)諧振腔，而引入線缺陷，就可以實(shí)現(xiàn)光子晶體波導(dǎo)。通過光子晶體對光路的控制以及光子晶體自身結(jié)構(gòu)對光輸出的影響，使得光子晶體在檢測器方面有著較大的潛力。目前的光子晶體器件多用于濾波器、功率分配器的制作，而基于光子晶體的檢測器則多是對蛋白質(zhì)和液體的檢測。如文獻(xiàn) 1:Mindy Lee and Philippe M.Fauchet.Two-dimensionalsilicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection.0PTICS EXPRESS.2007, 15(8).4531.中公布了基于光子晶體的蛋白質(zhì)檢測器；文獻(xiàn)2:OferLevi, Meredith M.Lee, Jingyu Zhang, Virginie Lousse, Steven R.J.Brueck, ShanhuiFan, and James S.Harris.Sensitivity analysis of a photonic crystal structure forindex-of-refraction sensing.Proceedings of SPIE.2007 6447, 64470.中公布了基于光子晶體的溶液折射率檢測器。在氣體檢測方面，光子晶體的應(yīng)用仍然較少，本發(fā)明是對氣體折射率的檢測，基于光子晶體的器件體積小易于與激光器件集成，結(jié)構(gòu)特性穩(wěn)定，壽命較長可以重復(fù)利用，使其在檢測器的集成應(yīng)用中有著較好的前景。在石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥等行業(yè)中，都要求對各種氣體介質(zhì)進(jìn)行計(jì)量和控制，這對保證產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省能源，降低原材料消耗和加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)核算有著重要的意義。而且如何全面有效的對有毒氣體密度進(jìn)行精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測，對保障生產(chǎn)、人生安全有十分重要的意義。傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測技術(shù)通常是基于非光學(xué)的監(jiān)測，如采用電化學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)上的點(diǎn)式傳感器，雖然這些傳感器可以達(dá) 到足夠低的監(jiān)測限，但其敏感膜表面易受污染，而且其響應(yīng)比較遲鈍，可重復(fù)利用率低，使用壽命較短，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)督。當(dāng)前，基于光譜吸收技術(shù)的光纖氣體探測器現(xiàn)在正被用于環(huán)境安全和工業(yè)過程監(jiān)控等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。然而，這種氣體監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，且易受光源的影響，穩(wěn)定性比較差。近年來，光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅髟跉怏w折射率/濃度測量領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注。但光纖法珀干涉?zhèn)鞲衅鞯膹?qiáng)度低、腔長比較短、分辨率低、誤差大，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。鑒于以上各種較為成熟的氣體檢測技術(shù)存在各方面的缺陷，設(shè)計(jì)一種性質(zhì)優(yōu)良的氣體檢測裝置就顯得迫在眉睫。發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明提供一種體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于集成且可重復(fù)使用的基于光子晶體的氣體折射率檢測器。該檢測器將待測氣體作為基質(zhì)充入光子晶體模塊，通過左右通道的耦合效率的比值，實(shí)現(xiàn)對待測氣體折射率的有效檢測。
本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述的目的采用了以下的結(jié)構(gòu):本發(fā)明提供了一種基于光子晶體的氣體折射率檢測器，其特征在于，具有:介質(zhì)柱，介質(zhì)柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體。光子晶體包含橫、縱方向設(shè)置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的通道，并將光子晶體分成對稱的復(fù)數(shù)個(gè)區(qū)塊。光子晶體包含一對點(diǎn)缺陷組，點(diǎn)缺陷組對設(shè)置在一條線缺陷所形成的通道上。光子晶體相對設(shè)置有輸出端，光子晶體設(shè)置有輸入端，輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發(fā)射器。裝有光子晶體氣室，以及外部連接計(jì)算部。在本發(fā)明所涉及的氣體折射率探測器中，光子晶體的晶格常數(shù)為0.545
0.555 μ m,介質(zhì)柱的相對介電常數(shù)大于基質(zhì)的介電常數(shù),基質(zhì)為待測氣體，介質(zhì)柱的材料為硅。進(jìn)一步，線缺陷的寬度為晶格常數(shù)的2倍；進(jìn)一步，點(diǎn)缺陷組設(shè)置在橫向設(shè)置的線缺陷形成的通道上，并以縱向設(shè)置的線缺陷為中心線對稱設(shè)置有兩組點(diǎn)缺陷組，分別為第I點(diǎn)缺陷組和第2點(diǎn)缺陷組。進(jìn)一步，兩組點(diǎn)缺陷組由5種不同半徑的介質(zhì)柱沿橫向設(shè)置的線缺陷形成的通道上以直線的形式排列而成，分別為介質(zhì)柱，第I介質(zhì)柱，第2介質(zhì)柱，第3介質(zhì)柱，和第4介質(zhì)柱，點(diǎn)缺陷組與光子晶體的晶格常數(shù)相同。在第I點(diǎn)缺陷組中，第I介質(zhì)柱的半徑為介質(zhì)柱半徑的1.35 1.40倍，設(shè)置在第I點(diǎn)缺陷組的兩端，兩個(gè)介質(zhì)柱與兩個(gè)第I介質(zhì)柱在第I點(diǎn)缺陷組所在的直線上相鄰排列，第2介質(zhì)柱的半徑為介質(zhì)柱半徑的0.30 0.4倍，設(shè)置在第I點(diǎn)缺陷組的中心。在第2點(diǎn)缺陷組中，第3介質(zhì)柱的半徑為介質(zhì)柱半徑的1.25
1.35倍，設(shè)置在第2點(diǎn)缺陷組的兩端，兩個(gè)介質(zhì)柱與兩個(gè)第3介質(zhì)柱在第2點(diǎn)缺陷組所在的直線上相鄰排列，第4介質(zhì)柱的半徑為介質(zhì)柱半徑的0.31 0.33倍，設(shè)置在第2點(diǎn)缺陷組的中心。介質(zhì)柱半徑為晶格常數(shù)的0.15 0.25倍。進(jìn)一步，兩個(gè)輸出端相對設(shè)置在橫向設(shè)置的線缺陷所形成的通道的兩端，分別為第I輸出端和第2輸出端,第I輸出端和第2輸出端處各設(shè)有一個(gè)光功率探測器,光功率探測器對準(zhǔn)線缺陷作為光接收單元。進(jìn)一步，輸入端設(shè)置在縱向設(shè)置的線缺陷的一端，激光發(fā)射器的入射激光的頻率為晶體常數(shù)的2.80 2.90倍，采用C-波段(1530 1560nm)激光入射。進(jìn)一步，光子晶體置于氣室中，氣室開有通氣孔。另外，計(jì)算部計(jì)算第I輸出端的光功率與第2輸出端的光功率的比值并得到基質(zhì)折射率。發(fā)明效果本發(fā)明提供了一種基于光子晶體的氣體折射率檢測器，其具有:介質(zhì)柱，介質(zhì)柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體。光子晶體包含橫、縱方向設(shè)置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形通道，并將光子晶體分成對稱的復(fù)數(shù)個(gè)區(qū)塊。光子晶體包含一對點(diǎn)缺陷組，點(diǎn)缺陷組相對設(shè)置在一條線缺陷所形成的通道上由于光子晶體有體積小，使得氣體折射率檢測器有體積小的特點(diǎn)。光子晶體相對設(shè)置有輸出端，光子晶體設(shè)置有輸入端，輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發(fā)射器。光子晶體安裝于氣室中，以及外部連接的計(jì)算部。由于光子晶體具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且便于與激光發(fā)射器和光功率探測器耦合集成，從而使得本發(fā)明在集成應(yīng)用中占有優(yōu)勢。


圖1:氣體折射率檢測器光子晶體部分結(jié)構(gòu)平面圖。圖2:氣體折射率檢測器光子晶體部分立體圖。圖3:氣體折射率檢測器立體結(jié)構(gòu)外觀。圖4:氣體折射率探測器的左右通道輸出光功率比與待測氣體折射率的關(guān)系圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明涉及的基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器進(jìn)行詳細(xì)的說明。實(shí)施方式:圖1為本發(fā)明實(shí)施例的氣體折射率檢測器光子晶體部分的平面示意圖。如圖1中所示，本發(fā)明實(shí)施例光子晶體氣體折射率檢測器10有光子晶體11，光子晶體11由介質(zhì)柱12組成，并在二維的空間上以晶格的形式排列，介質(zhì)柱的排列方式是相鄰介質(zhì)柱之間的向量的夾角α為90°。介質(zhì)柱12之間的距離為d=0.55 μ m，即為光子晶體11的晶格常數(shù)。介質(zhì)柱12的半徑為r=0.2d=0.11 μ m，并排列成方形，在本實(shí)施例中介質(zhì)柱12的材料為硅。光子晶體既可以用實(shí)心的圓柱制作，也可以采用空氣孔的方式，在本實(shí)施例中使用的是實(shí)心的介質(zhì)柱。在光子晶體11中引入缺陷，如線缺陷13a與線缺陷13b，打破了光子晶體11的周期性，電磁波(光波即為電磁波的一種形式)將被局域在線缺陷(即為線缺陷13a，線缺陷13b)中，從而實(shí)現(xiàn)了對光波傳播的控制。在光子晶體11的橫向線缺陷13a的寬度L為晶格常數(shù)d的2倍為1.10 μ m。同時(shí)，在光子晶體11的縱向線缺陷13b的寬度為晶格常數(shù)d的2倍為1.10 μ mo橫向線缺陷13a與縱向線缺陷13b正交,形成十字形線缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的通道，并將光子晶體11分割成對稱的四部分。在橫向線缺陷13a上，以縱向線缺陷13b為中心線，對稱設(shè)置了點(diǎn)缺陷組14a和點(diǎn)缺陷組14b，點(diǎn)缺陷組14a和點(diǎn)缺陷組14b是由不同半徑的數(shù)個(gè)介質(zhì)柱構(gòu)成，并且與周圍的光子晶體11有相同的晶格常數(shù)。左邊點(diǎn)缺陷組14a位于以縱向線缺陷13b為中心線的左邊，是由兩個(gè)半徑為rl=l.38*r=0.1518 μ m的介質(zhì)柱，兩個(gè)半徑為r=0.1lym的介質(zhì)柱和一個(gè)半徑為r2=0.33*r=0.0363 μ m的介質(zhì)柱沿橫向線缺陷13a排列而成。兩個(gè)半徑為rl的介質(zhì)柱分別位于點(diǎn)缺陷組14a的兩端，兩個(gè)半徑為r的介質(zhì)柱與兩個(gè)半徑為rl的介質(zhì)柱沿線缺陷13a相鄰排列，半徑為r2的介質(zhì)柱位于點(diǎn)缺陷組14a的中心，與兩個(gè)半徑為r的介質(zhì)柱相鄰排列。右邊點(diǎn)缺陷組14b位于以縱向線缺陷13b為中心線的右邊，是由兩個(gè)半徑為r3=l.30*r=0.1430 μ m的介質(zhì)柱，兩個(gè)半徑為r=0.1lym的介質(zhì)柱和一個(gè)半徑為r4=0.328*r=0.0361 μ m的介質(zhì)柱沿橫向線缺陷13a排列而成。兩個(gè)半徑為r3的介質(zhì)柱位于點(diǎn)缺陷組14b的兩端，兩個(gè)半徑為r的介質(zhì)柱與兩個(gè)半徑為r3的介質(zhì)柱沿線缺陷13a相鄰排列，半徑為r4的介質(zhì)柱位于點(diǎn)缺陷組14b的兩端，并于兩個(gè)半徑為r的介質(zhì)柱相鄰排列。
在設(shè)有點(diǎn)缺陷組14的橫向線缺陷13a形成的通道的兩端，相對設(shè)置了光功率探測器15a、15b，分別為輸出端OUTl以及輸出端0UT2。在縱向線缺陷13b所形成的通道的一端作為激光入射設(shè)置了激光發(fā)生器16,入射方向?yàn)锳方向。將待測氣體充入氣室內(nèi)，打開激光發(fā)生器16。激光發(fā)生器16產(chǎn)生出波長為λ =1.545 μ m的激光，入射激光被局限在線缺陷13b中傳輸。當(dāng)光波傳輸?shù)近c(diǎn)缺陷組附近時(shí)，有一部分光會(huì)耦合到線缺陷13a的波導(dǎo)中，分別是左邊的點(diǎn)缺陷組14a以及右邊的點(diǎn)缺陷組14b。光功率探測器15a和光功率探測器15b可以分別得到點(diǎn)缺陷組14a，及點(diǎn)缺陷組14b的耦合光功率。此時(shí)，如果基質(zhì)(即待測氣體)的折射率發(fā)生改變，點(diǎn)缺陷組14a、14b的耦合光功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩缺陷組變化后耦合光功率的比值與待測氣體的折射率有比較明顯的線性關(guān)系。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光子晶體氣體折射率檢測器光子晶體部分的立體示意圖。如圖2所示，組成光子晶體介質(zhì)柱被置于在一塊硅基板17上，介質(zhì)柱12以及各組成點(diǎn)缺陷組14a及14b的介質(zhì)柱的高度相同。在輸出端OUTl及輸出端0UT2的光功率探測器15a，15b固定在硅基板17上。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的光子晶體氣體折射率檢測器的立體外觀結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3和圖1所示，光子晶體11被設(shè)置在氣室18中，輸出端OUTl與輸出端0UT2處的光功率探測器15a，15b位于氣室18的表面外側(cè)，激光發(fā)生器16同樣位于氣室18的表面外側(cè)，并且設(shè)有外罩保護(hù)。在氣室18的兩側(cè)各設(shè)置了兩個(gè)通氣孔19。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的光子晶體氣體折射率檢測器的左右通道光功率比值與待測氣體折射率的關(guān)系圖。如圖4所示，先將左右探測器探測15a，15b，并通過計(jì)算部得到左右通道光功率的比值。與待測氣體的折射率建立關(guān)系可繪制圖4的曲線?？v軸為左右通道輸出的光功率比，橫軸為待測氣體折射率。該曲線顯示出了很好的線性擬合,驗(yàn)證了光子晶體氣體折射率檢測器的優(yōu)良性能。實(shí)施例的作用與效果根據(jù)實(shí)施例所涉及的基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器，因?yàn)槠涫褂昧斯璨牧现谱鞯慕橘|(zhì)柱形成的光子晶體，由于光子晶體有體積小，可以與激光發(fā)射器和光功率探測器耦合集成的特點(diǎn)，使得本發(fā)明涉及的氣體折射率探測器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定和易于制作成便攜設(shè)備等特點(diǎn)。通過在光子晶體上引入十字形線缺陷結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)的通道，從而改變了光子晶體介質(zhì)周圍的周期性結(jié)構(gòu)，光波被局限在線缺陷內(nèi)傳播，從而實(shí)現(xiàn)了對光波傳播的控制。同時(shí)，在導(dǎo)帶上引入了點(diǎn)缺陷組，可形成高品質(zhì)因素的諧振腔，光波可耦合到點(diǎn)缺陷組所形成的微腔內(nèi)。點(diǎn)缺陷組可起到穩(wěn)定的輸出作用，使得本發(fā)明有穩(wěn)定的性能。由于光功率探測器可對應(yīng)于點(diǎn)缺陷組的中心頻率光的特性，可減少本發(fā)明對光源頻譜的要求，降低了對于激光發(fā)射器光源的品質(zhì)的依賴。在折射率探測器的表殼上設(shè)置的通氣口能夠?qū)崟r(shí)地測量外界的空氣的折射率實(shí)現(xiàn)可重復(fù)化的檢測。利用存儲于計(jì)算部已知的折射率曲線做比對可以對待測氣體進(jìn)行做快速的檢測和比對，迅速得到待測氣體的特征，在檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體的氣體折射率探測器，其特征在于，具有: 介質(zhì)柱，所述介質(zhì)柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體； 所述光子晶體包含橫、縱方向設(shè)置的線缺陷，兩條所述線缺陷呈十字形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的通道，并將所述光子晶體分成對稱的復(fù)數(shù)個(gè)區(qū)塊； 所述光子晶體包含一對點(diǎn)缺陷組，所述點(diǎn)缺陷組相對設(shè)置在一條所述線缺陷所形成的通道上； 所述光子晶體相對設(shè)置有輸出端，所述光子晶體設(shè)置有輸入端； 所述輸出端配置了光功率探測器，所述輸入端配置了激光發(fā)射器； 裝有所述光子晶體的氣室；以及 外部連接計(jì)算部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述光子晶體的晶格常數(shù)為0.545 0.555 μ m， 所述介質(zhì)柱的相對介電常數(shù)大于所述基質(zhì)的介電常數(shù)，所述基質(zhì)為待測氣體，所述介質(zhì)柱的材料為硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述線缺陷的寬度為所述晶格常數(shù)的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述點(diǎn)缺陷組設(shè)置在橫向設(shè)置的所述線缺陷形成的通道上，并以縱向設(shè)置的所述線缺陷為中心線對稱設(shè)置有兩組所述點(diǎn)缺陷組，分別為第I所述點(diǎn)缺陷組和第2所述點(diǎn)缺陷組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，兩組所述點(diǎn)缺陷組由5種不同半徑的介質(zhì)柱沿橫向設(shè)置的所述線缺陷形成的通道上以直線的形式排列而成,分別為所述介質(zhì)柱,第I介質(zhì)柱,第2介質(zhì)柱，第3介質(zhì)柱，和第4介質(zhì)柱，所述點(diǎn)缺陷組與所述光子晶體的晶格常數(shù)相同； 在所述第I點(diǎn)缺陷組中，所述第I介質(zhì)柱的半徑為所述介質(zhì)柱半徑的1.38倍，設(shè)置在所述第I點(diǎn)缺陷組的兩端，兩個(gè)所述介質(zhì)柱與兩個(gè)所述第I介質(zhì)柱在第I點(diǎn)缺陷組所在的直線上相鄰排列，所述第2介質(zhì)柱的半徑為所述介質(zhì)柱半徑的0.33倍，設(shè)置在所述第I點(diǎn)缺陷組的中心； 在所述第2點(diǎn)缺陷組中，所述第3介質(zhì)柱的半徑為所述介質(zhì)柱半徑的1.3倍，設(shè)置在第2所述點(diǎn)缺陷組的兩端，兩個(gè)所述介質(zhì)柱與兩個(gè)所述第3介質(zhì)柱在第2點(diǎn)缺陷組所在的直線上相鄰排列，所述第4介質(zhì)柱的半徑為所述介質(zhì)柱半徑的0.328倍，設(shè)置在所述第2點(diǎn)缺陷組的中心。
所述介質(zhì)柱半徑約為所述晶格常數(shù)的0.2倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，兩個(gè)所述輸出端相對設(shè)置在橫向設(shè)置的所述線缺陷所形成的通道的兩端，分別為第I輸出端和第2輸出端，所述第I輸出端和所述第2輸出端處各設(shè)有一個(gè)光功率探測器，所述光功率探測對準(zhǔn)所述線缺陷作為光接收單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述輸入端設(shè)置在縱向設(shè)置的所述線缺陷的一端，所述激光發(fā)射器的入射激光的頻率為所述晶體常數(shù)的2.809倍，采用C-波段(1530 1560nm)激光入射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述光子晶體置于所述氣室中，所述氣室開有通氣孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述計(jì)算部計(jì)算所述第I輸出端的光功率與所述第2輸出端的光功率的比值并得到所述基質(zhì)折射率。 ·
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于光子晶體的氣體折射率探測器。該氣體折射率探測器包括介質(zhì)柱，介質(zhì)柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體，光子晶體包含橫、縱方向設(shè)置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的通道，并將光子晶體分成對稱的復(fù)數(shù)個(gè)區(qū)塊；光子晶體包含一對點(diǎn)缺陷組，點(diǎn)缺陷組相對設(shè)置在線缺陷所形成的通道上；光子晶體相對設(shè)置有輸出端，光子晶體設(shè)置有輸入端；輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發(fā)射器；光子晶體含于氣室，通過計(jì)算部計(jì)算輸出端兩端光功率的比值得到待測氣體的折射率。該氣體折射率探測器有檢測范圍大，體積小，可重復(fù)檢測，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在快速檢測領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。
文檔編號G01N21/41GK103196866SQ20131008064
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者梁斌明, 胡艾青, 蔣強(qiáng), 朱幸福, 湛勝高, 王榮 申請人:上海理工大學(xué)