CN101430277B - 气体折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

一种气体折射率传感器，包括一光子晶体模块、光源和探测器，光源与探测器分别设置于光子晶体模块的两端，该光子晶体模块包括一基体，该基体包括第一平面及与第一平面相对的第二平面，该基体上有垂直贯穿于第一平面和第二平面大量的气孔，该气孔构成一三角型光子晶体模块，其中位于该基体中心位置的气孔的直径小于其它气孔的直径形成一谐振腔，其中，该谐振腔相对的两侧为由未设置气孔的基体构成的线缺陷，该线缺陷分别为第一波导与第二波导，该第一波导与第二波导分别与该谐振腔之间相隔数个孔。

Description

气体折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，特别涉及一种气体折射率传感器。
背景技术
气体的折射率可以直接反映和衡量气体的压力、密度、组成以及温度，因此精确的测量气体的折射率可以观测气体的上述指标。现有技术中通常采用的气体折射率传感器通过光纤腔干涉的方法测量气体折射率。但是这种气体传感器体积比较大，不适合于气体的样本非常少的测量条件，并且也不适合于与其他光学设备的集成。
光子晶体是一种人造的介电系数周期性变化(光波长尺度)的介质结构。与晶体中电子受周期势场的作用而形成电子能带相类似，在这种周期介质结构中允许传播的光子能量呈带状分布，即形成所谓的光子能带，故称为光子晶体。光子晶体能禁止处于光子带隙频域内的光传播，即禁带效应，因此在光子晶体中引进缺陷形成带隙限制的“光子局域”，具有带隙限制导波和微腔谐振的独特功能，会影响(或改变)光子晶体中原子和分子的发光过程及光的传播特性。光子晶体的这些特点为设计微型折射率敏感的传感器件提供了新的平台。近几年，基于光子晶体设计的微型折射率敏感的传感器相继问世。由于这种传感器有较高的微腔谐振品质因素和很小的传感面积(每10μm2(平方微米)的传感面积只要求被测量的样本为1fL(10-15升))，因此，该种传感器对用很少的样本实现较高的折射率分辨率测量非常有效。
E.Chow等人提出一种基于二维光子晶体微腔结构的折射率传感器。请参见图1，该光子晶体模块100为一三角型光子晶体，其包括一基体102、设置于该基体上的气孔104、第一波导108和第二波导110。其中，基体102中心位置的气孔106直径小于其它气孔104的直径，形成一微腔结构，第一波导108和第二波导110突出于该基体102形成一“申”字型光子晶体模块。这种光子晶体结构可以探测到折射率的变化为0.002，折射率的测量范围可以达到1.0-1.5。但是，光能在上述光子晶体结构中的透过率很低，而且这种折射率传感器的灵敏度不够高(大概为150纳米/单位折射率)。(请参见“ultracopact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystalmicrocavity”，E.Chow，Optic Letters，Vol29，P1093(2004))。
因此，有必要提供一种气体折射率传感器，其具有高的灵敏度和分辨率，可测量微量气体样本的折射率。
发明内容
一种气体折射率传感器，包括一光子晶体模块、光源和探测器，光源与探测器分别设置于光子晶体模块的两端，其中，该光子晶体模块包括一基体，该基体为一长方体结构，包括第一平面及与第一平面相对的第二平面，该基体上有垂直贯穿于第一平面和第二平面大量的气孔，该气孔构成一三角型光子晶体模块，其中位于该基体中心位置的气孔的直径小于其它气孔的直径形成一谐振腔，该谐振腔相对的两侧具有线缺陷，该线缺陷分别构成第一波导与第二波导，该第一波导与第二波导与该谐振腔之间具有数个孔，所述光源设置于该第一波导之入射端，所述感测器设置于该第二波导之出射端。
本技术方案实施例所提供的气体折射率传感器是基于光子晶体的一种折射率传感结构，该光子晶体的结构通过优化计算后设计而成，透光率较高，而且这种气体折射率传感器具有较高的灵敏度和分辨率，可测量微量气体样本的折射率。
附图说明
图1是现有技术折射率传感器中光子晶体的结构示意图。
图2是本技术方案实施例气体折射率传感器的结构示意图。
图3是图2沿III-III线的剖面示意图。
图4是本技术方案实施例中不同折射率的待测气体的谐振光谱示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本实施例气体折射率传感器100的结构。
请参阅图2和图3，本实施例气体折射率传感器100主要包括一光子晶体模块200、光源300和探测器400。
所述光子晶体模块200包括一基体202。该基体202为一长方体结构，包括第一平面204及与第一平面204相对的第二平面206，其中，第一平面204上较长的边为第一边218，与其相对的边为第二边220。该基体202上设置有垂直贯穿于第一平面204和第二平面206大量的圆柱形气孔208，该气孔208构成一三角型光子晶体模块200，即气孔208与晶格的格点对应设置。该三角型光子晶体模块200的晶格常数为a，即相邻两个气孔208的中心距离为a，其中位于该基体202中心位置的气孔210的直径小于其它气孔208的直径形成一谐振腔。该谐振腔的两侧靠近第一边208与第二边210的位置分别设置有线缺陷，该线缺陷由未设置气孔的部分基体202构成，该线缺陷分别构成第一波导212与第二波导214，该第一波导212与第二波导214与该谐振腔之间具有数个气孔208。本实施例中，第一波导212与第二波导214分别与谐振腔相隔三个气孔208。
所述圆柱形气孔208可以采用电子束微影或反应性离子束蚀刻形成。气孔208排列17行，依次记为第1、2、3、...、17行，每行具有m个气孔208，依次记为第1、2、3、...、m个气孔208，每行气孔208的中心连线相互平行，且平行于第一边218和第二边220，且相邻两行气孔208的中心连线的间距均为
Figure S200710124285XD00031
每相邻的两行气孔208之间交错排列，从而所有的气孔208构成三角形排列。在未设置波导结构的行内，即第6行至第12行内，气孔208的个数为17个，由于第一波导212与第二波导214是由未设置气孔208的部分基体202组成，即第一波导212与第二波导214为光子晶体模块200上的两个线缺陷，因此设置有波导结构的行内，即第1行至第5行和第13行至第17行中，气孔208的个数为16个。
谐振腔、第一波导212、第二波导214、位于谐振腔和第一波导212之间的气孔208及位于谐振腔和第二波导214之间的气孔208形成一导光通道216，该导光通道216与每一行气孔208的中心连线成60度夹角。
所述晶格常数a的范围为260-670纳米，本实施例中晶格常数a优选为520纳米。
所述基体202的材料选自折射率为2.7-3.4的半导体材料，可以为硅、砷化镓或砷铝化镓等，本实施例中基体202的材料优选为折射率为3.32的砷铝化镓。该基体202的第一平面204和第二平面202之间的厚度为0.5a-0.6a，本实施例中该厚度优选为0.6a。
所述气孔208的直径为0.72a，第9行的第9个气孔210的直径小于其它气孔208的直径，形成一谐振腔，该谐振腔的直径为0.60a。
所述光源300设置于光子晶体模块200上靠近第一边218的一端，光源300对应第一波导212设置，光源300的具体位置无限制，只需确保其发射出的激光可直接进入第一波导212。光源300为一激光光源，其所发射的激光为一脉冲光，波长的值在800-1600纳米之间。
所述探测器400设置于光子晶体模块200靠近第二边220的一端，与第二波导214对应设置，其具体位置不限，只需确保第二波导214导出激光后直接进入其内分析。本实施例中，探测器优选为光谱分析仪。
使用时，将光子晶体模块200置于待测气体的氛围中，使光子晶体模块200的气孔208和谐振腔内充满待测气体后，开启光源300。光源300发出的脉冲激光，该激光由第一波导212导入光子晶体模块200，激光在导光通导216内传播，经过三个气孔208、谐振腔和另三个气孔208，由第二波导214导出该光子晶体模块200，进入探测器400。激光在光子晶体模块200中传播时，当气孔208中充满折射率为1的气体时，探测器所探测到的谐振峰的波长为λ0，在其他条件不变的情况下，当气孔208中充满折射率为n的待测气体时，光谱分析仪可检测出谐振峰的波长为λ，λ与待测气体的折射率n的值所成的函数关系为：
λ - λ 0 n - 1 = 0.097 λ 0 2 a
其中λ0为已知数值，λ由光谱分析仪检测出来，因此可求出待测气体的折射率。
请参阅图4，本实施例光源300所发出的光束的波长范围为1549.5纳米-1552.0纳米，图4中曲线的峰值所对应的波长即光谱分析仪所检测处的波长λ，当折射率发生变化时，波长λ的值发生变化，不同的折射率对应不同的波长。
本技术方案所提供的光子晶体模块200由于其独特的结构使其具有较高的透光率，可以达到67％，因此光谱分析仪所检测到的光的强度较高，故气体折射率传感器具有高的灵敏度和分辨率，本技术方案所提供的气体折射率传感器的灵敏度可以达到443纳米/单位折射率，分辨率可以达到0.0001。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (14)

1.一种气体折射率传感器，包括：
一光子晶体模块，该光子晶体模块进一步包括：
一基体，该基体包括第一平面及与第一平面相对的第二平面；
大量气孔，该气孔设置于上述基体上，垂直贯穿于第一平面和第二平面；
一谐振腔，该谐振腔为位于基体中心位置的气孔，其直径小于其它气孔的直径；
一第一波导与一第二波导，该第一波导与第二波导设置于上述谐振腔的两端，分别与上述谐振腔之间相隔多个气孔；
一光源，该光源设置于晶体模块的一端，对应第一波导设置；
一探测器，该探测器设置于晶体模块的另一端，对应第二波导设置；
其特征在于，所述第一波导与第二波导为该光子晶体模块上的两个线缺陷，由未设置气孔的部分基体构成。
2.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述的光子晶体模块为一三角型晶体结构。
3.如权利要求2所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述气孔对应晶体格点设置。
4.如权利要求2所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述的光子晶体模块的晶格常数a为260纳米-670纳米。
5.如权利要求4所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述的气孔的直径为0.72a。
6.如权利要求4所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述的谐振腔的直径为0.60a。
7.如权利要求4所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述基体的第一平面与第二平面之间的厚度为0.5a-0.6a。
8.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述的基体材料为硅、砷化镓或砷铝化镓。
9.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述基体为一长方体。
10.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述波导结构与谐振腔之间间隔3个气孔。
11.如权利要求4所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述基体上气孔设置为17行，相邻两行的气孔交错设置，相邻两行气孔的中心连线相互平行且间距为
Figure S200710124285XC00021
第1至5行气孔的个数为16个，第6-12行气孔的个数为17个，第13-17行气孔的个数为16个。
12.如权利要求11所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述谐振腔、第一波导、第二波导、谐振腔与第一波导之间的气孔以及谐振腔与第二波导之间的气孔构成一导光通道，该导光通道与每一行气孔的中心连线形成60度夹角。
13.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述光源为一激光光源。
14.如权利要求1所述的气体折射率传感器，其特征在于，所述探测器为一光谱分析仪。
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