CN103091268B - 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法。由激光器1、气室3、探测器5、锁相放大器7、信号发生器11、电流控制系统13和计算机系统9组成。其特点是气室3由光子晶体槽波导构成，利用其慢光特性增加光与待测气体之间的接触作用，通过在光子晶体槽波导两侧的空气槽中填充不同折射率的液体，获得高群折射率、宽带宽、波长可调且不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性，实现对多组分气体浓度的高灵敏度测量，并结合谐波检测信号处理方法，避免了噪声干扰、光源波动、光纤传输损耗等引入的测量误差，提高了测量精度。

Description

一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，属于光电检测技术领域。

背景技术

目前世界上很多国家都将环境保护作为一项基本国策，并建立相应的组织对环境污染进行检测和控制。而对气体浓度和组分的检测与控制更是当今传感技术发展领域的重要前沿课题(文献1. 王琳琳，北京大气污染特征研究[D]，山东大学，2011)。在实际应用中，尤其是对低浓度有毒气体的快速、实时、高灵敏度、高精度远程检测，是众多科学研究者所追求的目标。传统的气体检测技术通常是基于非光学的检测，容易受到其他气体成分的交叉敏感和敏感膜表面污染等不利因素的影响，而且其响应比较迟钝，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实现连续实时在线检测。因此，发展高灵敏度而且有效的气体检测手段成为传感技术领域中一个特别重要的课题。光谱吸收型光纤气体传感器是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产物。每一种气体都有固有的吸收谱（文献2. L. S. Rothman, I. E. Gordon, A. Barbe, et al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2009, 110: 533-572.），当光源的发射光波长与气体的吸收光波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度即可反演待测气体的浓度。由于其测量信号的载体是光波，对被测环境干扰小，特别是其传感探头不带电、本质防爆的特点，可适用于易燃易爆气体的工业在线检测。目前，光谱吸收型光纤气体传感器是研究的最多并接近于实用化的一种气体传感器（文献3. 吴兵兵，吕垚，戴基智等，光纤气体传感检测技术研究[J]，激光与红外，2009, 39(7)：707-712.）。然而在实际测量中，为了提高传感器测量的灵敏度，尤其是气体浓度较小时，应尽可能的增加吸收路径的长度，但是随着吸收路径长度的增加，光纤准直器的制造工艺变得复杂而难以实现，光功率损耗也变得比较严重，所以不能无限制的增加气室的长度（文献4. Y. Zhao, L. Bai, Y. N. Zhang, et al. Review on structures and principles of gas cells in the absorption spectrum-based optical fiber gas sensor systems [J]. Instrument Science & Technology, 2012, 40(5): 381-401.）。

为了实现微型化且易于实现的高灵敏度气体浓度实时在线测量方法，2007年丹麦学者提出利用光子晶体作为气室进行气体浓度测量的方法（文献5. N. A. Mortensen, S. S. Xiao. Slow-light enhancement of Beer-Lambert-Bouguer absorption [J]. Applied Physics Letters, 2007, 90: 141108.）。由于光子晶体自身的结构色散特性，光在光子晶体中以慢光（即传播速度远小于真空中的光速c）的形式往前传播，理论仿真结果表明，通过引入光子晶体慢光可以增加光与待测气体之间的吸收作用，从而极大的提高气体检测的灵敏度，实现微型化、高灵敏度的气体浓度测量(文献6. D. Pergande, T. M. Geppert, A. von Rhein, et al. Miniature infrared gas sensors using photonic crystals [J]. Journal of Applied Physics, 2011, 109: 083117.)。但是在常规的光子晶体中，光能量一般都局域在高介电常数的介质中，这就极大的限制了光与低折射率被测介质的相互作用，很大程度上限制了光子晶体在气体传感器中的应用。此外，在普通的光子晶体慢光器件中，群折射率随波长的变化会非常迅速，严重影响了传感系统的稳定性，而且一个光子晶体慢光器件往往只能用于对某种特定待测气体进行探测。此外，在光子晶体的制备过程中普通存在空气孔半径制备误差的问题，这将严重影响光子晶体的慢光特性（文献7. W. W. Song, R. A. Integlia, W. Jiang. Slow light loss due to roughness in photonic crystal waveguides: An analytic approach [J]. Physical Review B, 2010, 82(3): 235306.），进而影响光子晶体在气体传感系统中的使用。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种结构简单、易于实现、灵敏度高、体积小、稳定性好、且能对多组分气体浓度进行测量的方法。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明提出一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，包括传感单元、信号处理单元以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的传感单元包括激光器、气室、电流控制系统以及信号发生器，其特征在于：所述的气室是由光子晶体槽波导构成的，光子晶体槽波导能在多种待测气体的吸收波长处产生具有高群折射率、宽带宽、性能稳定的慢光现象；所述的信号处理单元包括一个探测器和一个锁相放大器；电流控制系统受到信号发生器发出的正弦电信号的控制，输出的正弦调制电流将加载在激光器的直流驱动电流上，实现对激光器输出波长的调制，调制后的光信号将被发送至由光子晶体槽波导构成的气室，部分光信号会被光子晶体槽波导中的待测气体吸收，其余未被吸收的光经过光电探测器转换为电信号后输送给锁相放大器作为测量信号，而锁相放大器同时还受到信号发生器发出的与电流控制系统接收到的调制频率相同的正弦电信号并将其作为参考信号，最后，锁相放大器输出的电信号由串口传送至与其相连的计算机系统进行数据的采集、处理以及显示。

上述方案中，所述的激光器，其工作波长为1565nm至1575nm，可输出功率最大为10mW的光信号；所述的电流控制系统，其输出电流可从20mV变化到125mV；所述的信号发生器可实现双通道任意波形输出，其中正弦波最高输出频率为20MHz，输出电压峰峰值为2mV至10V；所述的光电探测器工作波长为1100nm至1650nm，响应度为0.95A/W；所述的锁相放大器型号为SR830，其工作频率范围为1mHz至102.4kHz；所述的光纤链路2和4为普通单模光纤，芯径为9μm，包层直径为125μm，并将其与光子晶体槽波导气室连接处的光纤端口进行剥离拉锥工艺制作成为光纤透镜，其锥形角度为30°至40°，曲率半径为4至6μm，剥纤长度为12至13mm，起到对光束的准直和聚焦的作用。

上述方案中，所述的光子晶体槽波导结构是先在普通的硅介质背景上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿x方向的空气孔替换为一个宽度为                                                =0.32a的空气槽而构成的，空气孔的半径r=0.30a（其中a=447nm为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距），背景介质硅厚度h=220nm，有效折射率为n=2.87。在光子晶体槽波导中最靠近空气槽的第一排空气孔内填充一种折射率的液体，并在最靠近空气槽的第二排空气孔内填充另一种折射率的液体，通过调节两种填充液体的折射率大小，从而有效地改善光子晶体槽波导的色散曲线，以实现高群折射率、宽带宽、波长可调、性能稳定、不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性。所填充的液体折射率随液体种类的不同，可以在1.33到2.0之间变化，将填充有液体的光子晶体槽波导放在装有甲苯的容器中浸泡5分钟左右后取出，即可将液体移除，并可继续填充其它不同折射率的液体。

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1) 本发明提出的这种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，将光子晶体槽波导作为气室，利用其慢光特性可实现对气体浓度的高灵敏度、远程实时检测，同时减小了传感气室的体积；

2) 利用液体填充光子晶体槽波导中最靠近空气槽的两排空气孔可以实现高群折射率、宽带宽、性能稳定、不受空气孔半径制备误差影响的慢光特性，提高了气体浓度测量的稳定性。此外，通过选择填充不同折射率的液体来调谐慢光的工作波长，使其对应不同种类气体的吸收波长，可以实现对多组分气体的高灵敏度检测；

3) 信号处理采用的是谐波检测方法，利用互相关原理，使输入的周期性测量信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，将深埋在噪声中的周期信号携带的幅值信息检测出来，可以消除杂散光的干扰，克服工频干扰的影响，避开1/f低频噪声。本发明将提取出的一次谐波信号和二次谐波的比值作为系统的输出，可以消除由于光源波动、光纤传输损耗等造成的测量误差，进一步提高了测量精度。 

附图说明

图1为本发明提供的基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量系统示意图；

图2为本发明提供的光子晶体槽波导结构图；

图3为本发明提供的光子晶体槽波导色散曲线；

图4为本发明提供的光子晶体槽波导在不同折射率的填充液体下的群折射率曲线；

图5为本发明提供的光子晶体槽波导在yz横截面上的模场分布图；

图6为光子晶体槽波导的空气孔半径为0.29a、0.30a和0.31a时的群折射率曲线，其工作波长为1567nm，对应CO吸收峰波长。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及性能优化过程作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量系统整体结构示意图。激光器的注入电流受到信号发生器发出的频率为1KHz的正弦电信号的调制，所以，从激光器发出的将为频率为1KHz的正弦光信号，该正弦光信号由光纤透镜耦合进入充有待测气体的光子晶体槽波导气室，部分光信号将被吸收，未被吸收的光信号又经光线透镜被送至光电探测器，经过光电转换后，送至锁相放大器的测量信号端口。需要说明的是，信号发生器同样还发出一个频率为1KHz的正弦电信号送至锁相放大器的参考信号端口。最后，锁相放大器输出的电信号经串口送至与其相连的计算机系统进行数据采集、处理和显示。

由朗伯-比尔定律，当一束光强为的平行光通过充有气体的气室时，如果光源覆盖待测气体的吸收峰，光通过气体时就会发生衰减。输出光强，输入光强和气体浓度之间的关系可用朗伯-比尔定律表示为：

                             (1)

式中，为气体分子的吸收系数（cm^-1）；C为待测气体的浓度（体积分数）；L为光和气体的有效作用长度（cm）。

本发明通过引入光子晶体槽波导作为气室，光在填充有气体的光子晶体波导中传输时，产生慢光现象，使光与待测气体的接触作用增加，提高了待测气体的吸收作用。这种结果也可以从物理上理解为：引入慢光后，光在气体中的传播速度减慢，这样增加了光与待测气体相互作用的时间，等效为接触长度增加了，而且光速减慢多少等效的接触长度便会提高多少，从而使气体的吸收作用增加。定义为气体吸收作用的增加因子，则式（1）就可变为：

                             (2)

其中，，为光与气体接触部分的光场能量局域密度，为光子晶体槽波导的群折射率，其数值大小描述了光被减慢了多少倍。

光信号经过正弦调制后，式（2）可以改写为：

                                            (3)

式中，为调制角频率；为光强调制系数，其大小与信号发生器发出的电信号强度有关；为光源未经调制时的中心频率；为频率调制幅度。本发明采用谐波检测信号处理方法，使用锁相放大器分别检测调制频率的一次谐波分量和二次谐波分量，由式(3)可推导得到和分别为：

                                       (4)

                          (5)

其中p与待测气体吸收强度和线型有关，其负的最大值为-0.343。可以看出，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度大小正比于光源的平均功率，与气体浓度无关。二次谐波是一个与气体浓度以及光源的平均功率相关的量。本发明将一次谐波分量和二次谐波分量的比值D作为系统的输出，其大小可以描述为：

                 (6)

这样，系统的输出只与气体的浓度有关，而与光源功率无关，可以消除由于光源波动、光纤传输损耗等造成的测量误差，提高了检测精度。

从式（6）可得，系统灵敏度可以描述为：

                    (7)

为了增加气体的灵敏度，需要提高气体吸收作用的增加因子。本发明提出用液体填充光子晶体槽波导中最靠近空气槽的两排空气孔来优化其慢光特性，以增加和。如图2所示为光子晶体槽波导的结构示意图，它是通过在空气孔呈等边三角形排列的光子晶体中去掉中间一排沿x方向的空气孔形成W1结构的光子晶体波导，再在缺陷中心处放置一个宽度为0.32a的空气槽而形成的。空气孔的半径r=0.30a（其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距，本发明设计a=447nm），背景介质硅厚度h=220nm，有效折射率为n=2.87，所有空气孔在未填充前的折射率均为1.0。最靠近空气槽的第一排空气孔用1标记，最靠近空气槽的第二排空气孔用2标记，这两种数字标记的空气孔内将分别填充两种不同折射率的液体以实现对光子晶体槽波导慢光特性的优化。

根据慢光群速度的定义公式，对于一个中心频率为的光波，其群速度可以表达为：

                     (8)

式中，为光波角频率；为波矢。

光子晶体槽波导内的慢光现象是通过导模与周期性晶格之间不断发生布拉格反射现象而形成的。图3为利用麻省理工学院的MPB软件仿真得到的光子晶体槽波导的导模色散曲线，横坐标为归一化光波角频率；纵坐标为归一化波矢。可以看出，光子晶体槽波导在光子禁带中同时存在一个偶模和一个奇模。为了保证这两个模式在垂直方向（Z方向）上无损耗，需要选择光子晶体槽波导的工作波长在其平板模式的光锥（如图3中的点划线）之下。但是槽波导的偶模会移向更高频率，泄露能量到平板模式，而奇模存在对称性压制，波导中的奇模能量大部分集中在槽中，所以本发明主要关注奇模。根据公式（8），对光子晶体槽波导的导模色散曲线进行求导，可以得到群折射率随波长的变化关系。为了提高光子晶体槽波导的群折射率，应尽量使色散曲线平坦，而为了增加慢光带宽，应该在尽可能大的频率范围内实现平坦的色散关系。本发明提出的光子晶体槽波导慢光特性优化的核心思想就是通过调整光子晶体槽波导中最靠近空气槽的两排空气孔中填充液体的折射率，得到比较平坦的缺陷模式色散曲线。

图4为光子晶体槽波导在不同折射率的填充液体下的群折射率曲线。可以看出，本发明所设计的光子晶体槽波导可以在1564nm至1574nm的波长范围内实现宽带可调谐慢光，通过改变填充在空气槽中的液体折射率，即可实现慢光工作波长的调节，且慢光的群折射率最高可达150（即将光群速度减慢至c/150），该工作波段包含了CO气体的吸收峰（1567nm）和CO₂气体的吸收峰（1572.66nm），如果进一步对光子晶体槽波导的慢光性能进行优化，可以得到群折射率更大，波长可调谐范围更宽的慢光特性，为多组分气体的测量提供了可能。图5为利用麻省理工学院的MEEP软件仿真得到的光子晶体槽波导在yz横截面上的模场分布图，可以很明显的看出，导模的能量主要集中在空气槽中，在垂直于光波传输方向上，能量逐渐减小。进一步计算可得，空气槽中的光场能量大约是空气槽两侧光场能量的12倍，即f =12。结合公式（7），通过引入光子晶体槽波导作为气室，在相同的实验条件和气室长度下，可以将气体检测灵敏度提高150×12=1800倍。

根据调查，在光子晶体槽波导的制备过程中，不可避免地会引入人为或者机器误差，从而导致光子晶体槽波导空气孔半径与预期值不相同。而目前光子晶体槽波导的制备水平，空气孔半径的误差范围在±2%以内。假设本发明中所设计的光子晶体槽波导的空气孔半径从预期的0.30a变为0.29a或者0.31a，当所设计的光子晶体槽波导用于CO气体探测时，三种空气孔半径下光子晶体槽波导的群折射率曲线如图6所示。可以看出，在1567nm波长处，光子晶体槽波导的群折射率几乎不变，也就是说，空气孔的半径误差可以通过调节填充液体的折射率来补偿，从而保证光子晶体槽波导的慢光特性稳定。所以，本发明提出的液体填充方法，不仅可以提高光子晶体槽波导的慢光特性，而且可以降低光子晶体孔半径制备误差对慢光特性的影响。

Claims (2)

1.一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，包括传感单元、信号处理单元以及连接它们的光纤链路和计算机系统，所述的传感单元包括激光器1、气室3、电流控制系统13以及信号发生器11，其特征在于：所述的激光器1的工作波长为1565nm至1575nm；所述的气室3是由光子晶体槽波导构成的，可通过在最靠近空气槽的第一排和第二排空气孔中分别填充不同折射率的液体来优化光子晶体槽波导的慢光特性，实现群折射率为150的慢光，而填充不同折射率的液体时，慢光的工作波长可在1564nm至1574nm范围内调节，使其对应于不同种类气体的吸收波长，实现多组分气体浓度的测量，此外，光子晶体槽波导的慢光特性还不受空气孔半径制备误差的影响；所述的信号处理单元11包括一个探测器5和一个锁相放大器7；电流控制系统13受到信号发生器11发出的正弦电信号的控制，输出的正弦调制电流将加载在激光器1的直流驱动电流上，最终调制后的光信号经过传输光纤2送至气室3，部分光信号会被气室3中的待测气体吸收，其余未被吸收的光经过光电探测器5转换为电信号后输送给锁相放大器7作为测量信号，而锁相放大器7同时还收到信号发生器11发出的正弦电信号并将其作为参考信号，该正弦电信号的频率与电流控制系统13接收到的调制频率相同，最后，锁相放大器7输出的电信号由串口传送至计算机系统9进行数据的采集、处理以及显示。

2.如权利要求1所述的一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法，其特征在于：所述的气室3中，光子晶体槽波导的晶格常数a=447nm，空气孔的半径r=0.30a，空气槽宽度ω ₀=0.32a，背景介质硅厚度h=220nm。