CN103196866B - 一种基于二维光子晶体的气体折射率检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于光子晶体的气体折射率探测器。该气体折射率探测器包括：介质柱，介质柱在二维空间上呈晶格形式排列形成光子晶体，光子晶体包含横、纵方向设置的线缺陷，两条线缺陷呈十字形波导结构的通道，并将光子晶体分成对称的复数个区块；光子晶体包含一对点缺陷组，点缺陷组相对设置在线缺陷所形成的通道上；光子晶体相对设置有输出端，光子晶体设置有输入端；输出端配置了光功率探测器，输入端配置了激光发射器；光子晶体含于气室，通过计算部计算输出端两端光功率的比值得到待测气体的折射率。该气体折射率探测器有检测范围大，体积小，可重复检测，反应速度快等特点，在快速检测领域有广阔的应用。

Description

一种基于二维光子晶体的气体折射率检测器

技术领域

本发明涉及一种气体折射率检测器，特别是涉及一种基于光子晶体的十字形线缺陷波导气体折射率检测器。

技术背景

光子晶体从1998年到现在取得了巨大的发展，越来越多的科学家和企业家开始关注光子晶体的发展。二维光子晶体由于相对容易制造以及所具有的许多光学特性，在各种研究中受到关注。光子晶体的重要特性是光子禁带的存在。在光子晶体中引入缺陷后由于缺陷模的出现，就可以对光子晶体进行控制。如引入点缺陷组，可以实现谐振腔，而引入线缺陷，就可以实现光子晶体波导。通过光子晶体对光路的控制以及光子晶体自身结构对光输出的影响，使得光子晶体在检测器方面有着较大的潜力。目前的光子晶体器件多用于滤波器、功率分配器的制作，而基于光子晶体的检测器则多是对蛋白质和液体的检测。如文献1：Mindy Lee and Philippe M.Fauchet.Two-dimensional siliconphotonic crystal based biosensing platform for protein detection.OPTICSEXPRESS.2007,15(8).4531.中公布了基于光子晶体的蛋白质检测器；文献2：OferLevi,Meredith M.Lee,Jingyu Zhang,Virginie Lousse,Steven R.J.Brueck,Shanhui Fan,and James S.Harris.Sensitivityanalysis of a photonic crystal structure for index-of-refraction sensing.Proceedings of SPIE.2007 6447,64470.中公布了基于光子晶体的溶液折射率检测器。在气体检测方面，光子晶体的应用仍然较少，本发明是对气体折射率的检测，基于光子晶体的器件体积小易于与激光器件集成，结构特性稳定，寿命较长可以重复利用，使其在检测器的集成应用中有着较好的前景。

在石油、化工、冶金、电力、医药等行业中，都要求对各种气体介质进行计量和控制，这对保证产品质量，节省能源，降低原材料消耗和加强经济核算有着重要的意义。而且如何全面有效的对有毒气体密度进行精准和实时监测，对保障生产、人生安全有十分重要的意义。传统的气体监测技术通常是基于非光学的监测，如采用电化学和半导体技术上的点式传感器，虽然这些传感器可以达到足够低的监测限，但其敏感膜表面易受污染，而且其响应比较迟钝，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实现实时在线连续监督。当前，基于光谱吸收技术的光纤气体探测器现在正被用于环境安全和工业过程监控等众多应用领域。然而，这种气体监测技术系统复杂，且易受光源的影响，稳定性比较差。近年来，光纤法珀干涉传感器在气体折射率/浓度测量领域受到人们的广泛关注。但光纤法珀干涉传感器的强度低、腔长比较短、分辨率低、误差大，在实际应用中受到限制。鉴于以上各种较为成熟的气体检测技术存在各方面的缺陷，设计一种性质优良的气体检测装置就显得迫在眉睫。

发明的内容

本发明提供一种体积小、结构稳定、易于集成且可重复使用的基于光子晶体的气体折射率检测器。该检测器将待测气体作为基质充入光子晶体模块，通过左右通道的耦合效率的比值，实现对待测气体折射率的有效检测。

本发明为了实现上述的目的采用了以下的结构：

本发明提供了一种基于光子晶体的气体折射率检测器，其特征在于，具有：介质柱，介质柱在二维空间上呈晶格形式排列形成光子晶体。光子晶体包含横、纵方向设置的线缺陷，两条线缺陷呈十字形波导结构的通道，并将光子晶体分成对称的复数个区块。光子晶体包含一对点缺陷组，点缺陷组对设置在一条线缺陷所形成的通道上。光子晶体相对设置有输出端，光子晶体设置有输入端，输出端配置了光功率探测器，输入端配置了激光发射器。装有光子晶体气室，以及外部连接计算部。

在本发明所涉及的气体折射率探测器中，光子晶体的晶格常数为0.545～0.555μm，介质柱的相对介电常数大于基质的介电常数，基质为待测气体，介质柱的材料为硅。

进一步，线缺陷的宽度为晶格常数的2倍；

进一步，点缺陷组设置在横向设置的线缺陷形成的通道上，并以纵向设置的线缺陷为中心线对称设置有两组点缺陷组，分别为第1点缺陷组和第2点缺陷组。

进一步，两组点缺陷组由5种不同半径的介质柱沿横向设置的线缺陷形成的通道上以直线的形式排列而成，分别为介质柱，第1介质柱，第2介质柱，第3介质柱，和第4介质柱，点缺陷组与光子晶体的晶格常数相同。在第1点缺陷组中，第1介质柱的半径为介质柱半径的1.35～1.40倍，设置在第1点缺陷组的两端，两个介质柱与两个第1介质柱在第1点缺陷组所在的直线上相邻排列，第2介质柱的半径为介质柱半径的0.30～0.4倍，设置在第1点缺陷组的中心。在第2点缺陷组中，第3介质柱的半径为介质柱半径的1.25～1.35倍，设置在第2点缺陷组的两端，两个介质柱与两个第3介质柱在第2点缺陷组所在的直线上相邻排列，第4介质柱的半径为介质柱半径的0.31～0.33倍，设置在第2点缺陷组的中心。介质柱半径为晶格常数的0.15～0.25倍。

进一步，两个输出端相对设置在横向设置的线缺陷所形成的通道的两端，分别为第1输出端和第2输出端，第1输出端和第2输出端处各设有一个光功率探测器，光功率探测器对准线缺陷作为光接收单元。

进一步，输入端设置在纵向设置的线缺陷的一端，激光发射器的入射激光的频率为晶体常数的2.80～2.90倍，采用C-波段（1530～1560nm）激光入射。

进一步，光子晶体置于气室中，气室开有通气孔。

另外，计算部计算第1输出端的光功率与第2输出端的光功率的比值并得到基质折射率。

发明效果

本发明提供了一种基于光子晶体的气体折射率检测器，其具有：介质柱，介质柱在二维空间上呈晶格形式排列形成光子晶体。光子晶体包含横、纵方向设置的线缺陷，两条线缺陷呈十字形通道，并将光子晶体分成对称的复数个区块。光子晶体包含一对点缺陷组，点缺陷组相对设置在一条线缺陷所形成的通道上由于光子晶体有体积小，使得气体折射率检测器有体积小的特点。光子晶体相对设置有输出端，光子晶体设置有输入端，输出端配置了光功率探测器，输入端配置了激光发射器。光子晶体安装于气室中，以及外部连接的计算部。由于光子晶体具有性能稳定，结构简单，使用寿命长等优点，且便于与激光发射器和光功率探测器耦合集成，从而使得本发明在集成应用中占有优势。

附图说明

图1：气体折射率检测器光子晶体部分结构平面图。

图2：气体折射率检测器光子晶体部分立体图。

图3：气体折射率检测器立体结构外观。

图4：气体折射率探测器的左右通道输出光功率比与待测气体折射率的关系图

具体实施方式

以下结合附图，对本发明涉及的基于二维光子晶体的气体折射率检测器进行详细的说明。

实施方式：

图1为本发明实施例的气体折射率检测器光子晶体部分的平面示意图。

如图1中所示，本发明实施例光子晶体气体折射率检测器10有光子晶体11，光子晶体11由介质柱12组成，并在二维的空间上以晶格的形式排列，介质柱的排列方式是相邻介质柱之间的向量的夹角α为90°。介质柱12之间的距离为d=0.55μm，即为光子晶体11的晶格常数。介质柱12的半径为r=0.2d=0.11μm，并排列成方形，在本实施例中介质柱12的材料为硅。光子晶体既可以用实心的圆柱制作，也可以采用空气孔的方式，在本实施例中使用的是实心的介质柱。

在光子晶体11中引入缺陷，如线缺陷13a与线缺陷13b，打破了光子晶体11的周期性，电磁波（光波即为电磁波的一种形式）将被局域在线缺陷（即为线缺陷13a，线缺陷13b）中，从而实现了对光波传播的控制。在光子晶体11的横向线缺陷13a的宽度L为晶格常数d的2倍为1.10μm。同时，在光子晶体11的纵向线缺陷13b的宽度为晶格常数d的2倍为1.10μm。横向线缺陷13a与纵向线缺陷13b正交，形成十字形线缺陷波导结构的通道，并将光子晶体11分割成对称的四部分。

在横向线缺陷13a上，以纵向线缺陷13b为中心线，对称设置了点缺陷组14a和点缺陷组14b，点缺陷组14a和点缺陷组14b是由不同半径的数个介质柱构成，并且与周围的光子晶体11有相同的晶格常数。

左边点缺陷组14a位于以纵向线缺陷13b为中心线的左边，是由两个半径为r1=1.38*r=0.1518μm的介质柱，两个半径为r=0.11μm的介质柱和一个半径为r2=0.33*r=0.0363μm的介质柱沿横向线缺陷13a排列而成。两个半径为r1的介质柱分别位于点缺陷组14a的两端，两个半径为r的介质柱与两个半径为r1的介质柱沿线缺陷13a相邻排列，半径为r2的介质柱位于点缺陷组14a的中心，与两个半径为r的介质柱相邻排列。

右边点缺陷组14b位于以纵向线缺陷13b为中心线的右边，是由两个半径为r3=1.30*r=0.1430μm的介质柱，两个半径为r=0.11μm的介质柱和一个半径为r4=0.328*r=0.0361μm的介质柱沿横向线缺陷13a排列而成。两个半径为r3的介质柱位于点缺陷组14b的两端，两个半径为r的介质柱与两个半径为r3的介质柱沿线缺陷13a相邻排列，半径为r4的介质柱位于点缺陷组14b的两端，并于两个半径为r的介质柱相邻排列。

在设有点缺陷组14的横向线缺陷13a形成的通道的两端，相对设置了光功率探测器15a、15b，分别为输出端OUT1以及输出端OUT2。在纵向线缺陷13b所形成的通道的一端作为激光入射设置了激光发生器16，入射方向为A方向。

将待测气体充入气室内，打开激光发生器16。激光发生器16产生出波长为λ=1.545μm的激光，入射激光被局限在线缺陷13b中传输。当光波传输到点缺陷组附近时，有一部分光会耦合到线缺陷13a的波导中，分别是左边的点缺陷组14a以及右边的点缺陷组14b。光功率探测器15a和光功率探测器15b可以分别得到点缺陷组14a，及点缺陷组14b的耦合光功率。此时，如果基质（即待测气体）的折射率发生改变，点缺陷组14a、14b的耦合光功率也会发生相应的变化。经实验发现两缺陷组变化后耦合光功率的比值与待测气体的折射率有比较明显的线性关系。

图2为本发明实施例的光子晶体气体折射率检测器光子晶体部分的立体示意图。

如图2所示，组成光子晶体介质柱被置于在一块硅基板17上，介质柱12以及各组成点缺陷组14a及14b的介质柱的高度相同。在输出端OUT1及输出端OUT2的光功率探测器15a，15b固定在硅基板17上。

图3为本发明实施例的光子晶体气体折射率检测器的立体外观结构示意图。

如图3和图1所示，光子晶体11被设置在气室18中，输出端OUT1与输出端OUT2处的光功率探测器15a，15b位于气室18的表面外侧，激光发生器16同样位于气室18的表面外侧，并且设有外罩保护。在气室18的两侧各设置了两个通气孔19。

图4为本发明实施例的光子晶体气体折射率检测器的左右通道光功率比值与待测气体折射率的关系图。

如图4所示，先将左右探测器探测15a，15b，并通过计算部得到左右通道光功率的比值。与待测气体的折射率建立关系可绘制图4的曲线。纵轴为左右通道输出的光功率比，横轴为待测气体折射率。该曲线显示出了很好的线性拟合，验证了光子晶体气体折射率检测器的优良性能。

实施例的作用与效果

根据实施例所涉及的基于二维光子晶体的气体折射率检测器，因为其使用了硅材料制作的介质柱形成的光子晶体，由于光子晶体有体积小，可以与激光发射器和光功率探测器耦合集成的特点，使得本发明涉及的气体折射率探测器具有结构简单，性能稳定和易于制作成便携设备等特点。

通过在光子晶体上引入十字形线缺陷结构形成波导的通道，从而改变了光子晶体介质周围的周期性结构，光波被局限在线缺陷内传播，从而实现了对光波传播的控制。同时，在导带上引入了点缺陷组，可形成高品质因素的谐振腔,光波可耦合到点缺陷组所形成的微腔内。点缺陷组可起到稳定的输出作用，使得本发明有稳定的性能。由于光功率探测器可对应于点缺陷组的中心频率光的特性，可减少本发明对光源频谱的要求，降低了对于激光发射器光源的品质的依赖。

在折射率探测器的表壳上设置的通气口能够实时地测量外界的空气的折射率实现可重复化的检测。

利用存储于计算部已知的折射率曲线做比对可以对待测气体进行做快速的检测和比对，迅速得到待测气体的特征，在检测领域有广泛的应用价值。

Claims (9)

1.一种基于光子晶体的气体折射率探测器，其特征在于，具有：

介质柱，所述介质柱在二维空间上呈晶格形式排列形成光子晶体；

所述光子晶体包含横、纵方向设置的线缺陷，两条所述线缺陷呈十字形波导结构的通道，并将所述光子晶体分成对称的复数个区块；

所述光子晶体包含一对点缺陷组，所述点缺陷组相对设置在一条所述线缺陷所形成的通道上；

所述光子晶体相对设置有输出端，所述光子晶体设置有输入端；

所述输出端配置了光功率探测器，所述输入端配置了激光发射器；

装有所述光子晶体的气室；以及

外部连接计算部，

其中，所述一对点缺陷组分别为第1点缺陷组和第2点缺陷组，

所述一对点缺陷组由5种不同半径的介质柱沿所述线缺陷形成的通道排列而成，分别为所述介质柱，第1介质柱，第2介质柱，第3介质柱，和第4介质柱，

在所述第1点缺陷组中，所述第1介质柱的半径为所述介质柱半径的1.38倍，设置在所述第1点缺陷组的两端，两个所述介质柱与两个所述第1介质柱相邻排列，所述第2介质柱的半径为所述介质柱半径的0.33倍，设置在所述第1点缺陷组的中心；

在所述第2点缺陷组中，所述第3介质柱的半径为所述介质柱半径的1.3倍，设置在第2所述点缺陷组的两端，两个所述介质柱与两个所述第3介质柱相邻排列，所述第4介质柱的半径为所述介质柱半径的0.328倍，设置在所述第2点缺陷组的中心。

2.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述光子晶体的晶格常数为0.545～0.555μm，

所述介质柱的相对介电常数大于所述气体的介电常数，所述介质柱的材料为硅。

3.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述线缺陷的宽度为所述晶格常数的2倍。

4.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述点缺陷组设置在横向设置的所述线缺陷形成的通道上，所述第1点缺陷组和所述第2点缺陷组以纵向设置的所述线缺陷为中心线对称设置。

5.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，两组所述点缺陷组的所述5种不同半径的介质柱沿横向设置的所述线缺陷形成的通道上以直线的形式排列而成，

所述点缺陷组与所述光子晶体的晶格常数相同，

所述介质柱半径约为所述晶格常数的0.2倍。

6.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，两个所述输出端相对设置在横向设置的所述线缺陷所形成的通道的两端，分别为第1输出端和第2输出端，所述第1输出端和所述第2输出端处各设有一个光功率探测器，所述光功率探测对准所述线缺陷作为光接收单元。

7.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述输入端设置在纵向设置的所述线缺陷的一端，所述激光发射器的入射激光的频率为所述晶体常数的2.809倍，采用波长为1530～1560nm C-波段的激光入射。

8.根据权利要求1所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述光子晶体置于所述气室中，所述气室开有通气孔。

9.根据权利要求6所述气体折射率探测器，其特征在于：

其中，所述计算部计算所述第1输出端的光功率与所述第2输出端的光功率的比值并得到所述气体折射率。