CN104062267A - 一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法。由光源1、传感单元2、信号处理单元3和计算机系统4组成。其特点是传感单元由光子晶体微腔组成，将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔中，当样品的折射率变化时，通过观测光子晶体微腔的透射峰移动来实现折射率的测量。而在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1.9的液体，使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，可增加光与待测样品的接触作用，使折射率测量的灵敏度提高了6.6倍。最后，利用马克-增德干涉仪波长检测技术与电荷耦合元件（CCD）光电探测技术，将透射峰的移动转化为CCD上干涉条纹的移动，实现了灵敏度为412.5nm/RIU，分辨力为3.4×10^-6RIU的折射率测量。

Description

一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，属于光电检测技术领域。

背景技术

折射率是材料的固有性质，通过测量折射率大小可以分析物质的光学性能以及密度、浓度等物理性质。因此，对折射率测量的研究受到了人们广泛的关注(文献1. Y. Ma, X. G. Qiao, T. Guo, et al. Mach-Zehnder interferometer based on sandwich fiber structure for refractive index measurement[J]. IEEE Sensors Journal, 2012, 12(6): 2081-2085. 文献2. 周赢武. 基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究[J]. 光子学报，2012，41(7)：841-844.)。光纤折射率传感器因其独特的抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等优点，一直是近几年生物和化学领域研究的热点，目前迫切需要解决的问题是如何实现传感器件的微型化和集成化。尺寸在光波长量级的微型光子晶体传感器是迄今为止所提出的传感面积最小的器件（文献3. R. V. Nair, R. Vijaya. Photonic crystal sensors: an overview. progress in quantum electronics[J], 2010, 34(3): 89-134.）。用光子晶体传感器来实现生物和化学样品折射率的测量，具有体积小、结构紧凑、所需测量样本少（约1fL）、便于实现光集成化等优点。柯林佟等人提出通过测量二维光子晶体波导透射带边沿的偏移量来测量折射率大小，但是需要改变空气孔的大小和位置，这会增加光子晶体制备的复杂度，而且其灵敏度仅为222nm/RIU（文献4. 柯林佟，陈卫业，张洋，等. 基于光子晶体波导的折射率传感器的灵敏度优化设计[J]. 激光与光电子学进展，2014，51：052304-1-052304-6.）。E. Chow等人提出用二维光子晶体微腔结构作为生化折射率传感器，传感大小在微米量级，其折射率的分辨力可以达到0.002RIU。但是，该方法的光透过率很低，且其灵敏度仅为150nm/RIU左右（文献5. E. Chow, A. Grot, L. W. Mirkarimi, et al. Ultracompact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity[J]. Optics Letters, 2004, 29(10): 1093-1095.）。

本发明提出在光子晶体微腔两侧引入慢光以提高其折射率测量灵敏度的思想，通过在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1.9的液体，实现了群折射率为14.5、带宽为52nm的宽带慢光。对光子晶体微腔的折射率传感特性进行分析可得，慢光引入后，折射率测量的灵敏度可提高6.6倍，最终实现了分辨力为3.4×10^-6 RIU的折射率传感器。

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，提出一种高灵敏度、微型化、易于集成的折射率测量方法。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明提出一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，包括光源1、传感单元2、信号处理单元3和计算机系统4，所述的传感单元2是一个光子晶体微腔，其特征在于：测量时，将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔中，当填充样品的折射率变化时，光子晶体微腔的透射峰将会发生移动，通过监测透射峰的移动即可计算出填充样品的折射率大小；所述的信号处理单元3包括一个耦合器31、一个马克-增德干涉仪32、一个聚焦透镜33、以及一个电荷耦合元件（CCD）光电探测器34，光子晶体微腔的透射光经过耦合器后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的两臂后在输出端发生干涉，并且由聚焦透镜将干涉条纹聚焦到CCD光敏面上，调节聚焦透镜，使光纤出射端面距透镜的距离恰好为透镜的焦距，那么透镜投射到CCD上的像与原干涉条纹完全相同，最后，干涉条纹由CCD接收并经串口传送至与其相连的计算机系统4进行数据的采集、处理及显示。

上述方案中，所述的光子晶体微腔结构是先在普通的硅基底材料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方向的空气孔去掉形成一个光子晶体线缺陷波导，最后在波导中心引入两对空气孔（每对包括两个空气孔，共4个空气孔）对称放置在波导中间，两对空气孔间隔距离为2a（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=360nm），从而形成一个单排孔结构的微腔，待测生化样品将填充在这四个空气孔中，空气孔的半径为r=0.3a，硅基底厚度为h=0.7a，有效折射率为n=2.87。

上述方案中，所述的慢光是在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为n _f=1.9的液体，实现群折射率为14.5、带宽为52nm的慢光，这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，增加光与待测生物样品的接触作用，进而提高折射率测量的灵敏度。

上述方案中，所述的光源为ASE宽谱光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功率为100mW；所述的耦合器的工作波长为1550nm，分光比为50:50；所述的马克-增德干涉仪的两臂均为普通的单模光纤，两臂臂长差为1m；所述的聚焦透镜的焦距为50mm；所述的CCD光电探测器的最小可探测条纹移动量为1.4μm。

（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慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，只需要将待测样品填充在4个空气孔中，传感面积仅为0.1465μm²，而检测分辨力可达3.4×10^-6 RIU，实现了微型化、高灵敏度的折射率测量。

2) 传感单元采用绝缘体上硅（Silicon-on-insulator, SOI）材料制备的，与传统的CMOS平面工艺具有良好的兼容性，并且易于集成。

3) 光子晶体微腔的制备过程中，并不需要改变光子晶体的结构参数，大大降低了制备的难度。

4) 信号处理采用的是马克-增德干涉仪波长检测技术与CCD光电探测技术，具有结构简单、价格低、灵敏度高等优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量系统示意图；

图2为本发明提供的光子晶体微腔结构示意图；

图3为液体填充前后，光子晶体波导的群折射率曲线；

图4为(a)慢光引入前光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系；(b) 慢光引入后光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系；

图5为慢光引入前后，系统输出与折射率之间的关系。

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、原理以及工作过程作进一步的详细说明。

如图1所示为本发明提出的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量系统示意图。宽谱光源发出的光经光子晶体微腔后，被一个50:50的耦合器平均分成两束，这两束光分别经过马克-增德干涉仪的两臂后在输出端发生干涉，并且由聚焦透镜将干涉条纹聚焦到CCD光敏面上，调节聚焦透镜，使光纤出射端面距透镜的距离恰好为透镜的焦距，那么透镜投射到CCD上的像与原干涉条纹完全相同，最后，干涉条纹由CCD接收并经串口传送至与其相连的计算机系统进行数据的采集、处理及显示。

如图2所示为本发明提出的光子晶体微腔结构示意图。它是先在普通的硅基底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方向的空气孔去掉形成一个光子晶体线缺陷波导，最后在波导中心引入两对空气孔（每对包括两个空气孔，共4个空气孔）对称放置在波导中央，两对空气孔间隔距离为2a（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=360nm），从而形成一个单排孔结构的微腔，这4个空气孔在图2中用数字2标记。空气孔的半径为r=0.3a，背景介质硅厚度为h=0.7nm，有效折射率为n=2.87。为了提高光子晶体微腔的折射率测量灵敏度，本发明设计在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为n _f=1.9的液体（这两排空气孔在图2中用数字1标记），这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，增加光与待测生物样品的接触作用。图3为利用麻省理工学院的MPB软件仿真得到的液体填充前后光子晶体波导的群折射率曲线，可以发现，填充后的光子晶体波导慢光带宽得到了极大的提高，实现了群折射率为14.5、带宽为52nm的慢光。而且，当微腔中填充的待测样品折射率发生变化而引起光子晶体微腔中的传输光波长发生变化（52nm范围内）时，传输光的群折射率均可恒定在14.5，即均以相同的慢光形式传输，这样可以保证光子晶体微腔的折射率测量灵敏度恒定不变。

图4为利用麻省理工学院的MEEP软件仿真得到的慢光引入前光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系（图4(a)），以及慢光引入后光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系（图4(b)）。由此可以得到，本发明所提出的光子晶体微腔折射率测量灵敏度为：慢光引入前，66.3nm/RIU；慢光引入后，437.5nm/RIU。也就是说，慢光引入后，光子晶体微腔的折射率测量灵敏度提高了6.6倍。

根据以上的分析，为了得到填充在微腔中的待测样品的折射率，需要解调出光子晶体微腔的输出谱波长移动量。传统的输出光信号解调装置是光谱分析仪，它具有较高的精度和灵敏度，但它价格昂贵，体积较大，使用条件苛刻，不适合工程现场使用，所以本发明提出用马克-增德干涉仪波长检测技术结合CCD光电探测技术，实现对光子晶体微腔输出光信号的解调。

根据马克-增德干涉仪理论，干涉仪两臂的相位差为：

(1)

其中，是入射光波长；d是干涉仪两臂的长度差，本发明中设计d=1m；n是测量臂和参考臂的折射率，在本发明中测量臂和参考臂均为普通单模光纤的纤芯折射率，所以n=1.45。

保证干涉仪结构参数不变的情况下，当入射光波长由变化到，即波长变化，干涉仪两臂的相位差变化：

(2)

假设，在这个过程中，CCD上干涉条纹的移动数目为N，则有，

(3)

式中，和均工作在1550nm波长范围内，且本发明中，波长变化量很小。所以，此时干涉条纹在CCD上的移动距离可以表示为：

(4)

综上，本发明所设计的干涉仪解调灵敏度，即干涉条纹在CCD上的移动距离与入射光波长的变化量之间的比值为：

(5)

计算可得，干涉仪的解调灵敏度为S=0.9355mm/nm。结合前面对光子晶体微腔折射率传感特性的分析，可以得到如图5所示的慢光引入前后，干涉条纹在CCD上的移动距离与填充在光子晶体微腔中的样本折射率之间的关系，可以得到，慢光引入后，系统的折射率测量灵敏度可以达到412.5mm/RIU，且输出具有很好的线性度。考虑到本发明所使用的CCD光电探测器最小可探测的条纹移动量为1.4μm，本发明所设计的系统最小可检测的折射率变化量（即，分辨力）为3.4×10^-6 RIU。

Claims (4)

1.一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，包括光源1、传感单元2、信号处理单元3和计算机系统4，所述的传感单元2是一个光子晶体微腔，其特征在于：测量时，将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔中，当填充样品的折射率变化时，光子晶体微腔的透射峰将会发生移动，通过监测透射峰的移动即可计算出填充样品的折射率大小；所述的信号处理单元3包括一个耦合器31、一个马克-增德干涉仪32、一个聚焦透镜33、以及一个电荷耦合元件（CCD）光电探测器34，光子晶体微腔的透射光经过耦合器后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的两臂后在输出端发生干涉，并且由聚焦透镜将干涉条纹聚焦到CCD光敏面上，调节聚焦透镜，使光纤出射端面距透镜的距离恰好为透镜的焦距，那么透镜投射到CCD上的像与原干涉条纹完全相同，最后，干涉条纹由CCD接收并经串口传送至与其相连的计算机系统4进行数据的采集、处理及显示。

2.如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于：所述的光子晶体微腔结构是先在普通的硅基底材料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方向的空气孔去掉形成一个光子晶体线缺陷波导，最后在波导中心引入两对空气孔（每对包括两个空气孔，共4个空气孔）对称放置在波导中间，两对空气孔间隔距离为2a（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=360nm），从而形成一个单排孔结构的微腔，待测生化样品将填充在这四个空气孔中，空气孔的半径为r=0.3a，硅基底厚度为h=0.7a，基底有效折射率为n=2.87。

3.如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于：所述的慢光是在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1.9的液体，实现群折射率为14.5、带宽为52nm的慢光，这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，增加光与待测生化样品的接触作用，进而提高折射率测量的灵敏度。

4.如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于：所述的光源为ASE宽谱光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功率为100mW；所述的耦合器的工作波长为1550nm，分光比为50:50；所述的马克-增德干涉仪的两臂均为普通的单模光纤，两臂臂长差为1m；所述的聚焦透镜的焦距为50mm；所述的CCD光电探测器的最小可探测条纹移动量为1.4μm。