CN109443399A

CN109443399A - 一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列

Info

Publication number: CN109443399A
Application number: CN201811270757.7A
Authority: CN
Inventors: 杨大全; 李小刚; 陈鑫
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2019-03-08

Abstract

本发明实施例提供了一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，包括：N个并行排列的光子晶体纳米束微腔传感器；其中，每个光子晶体纳米束微腔传感器包括位于同一光纤上的作为带隙滤波器的第一光纤段和作为微腔的第二光纤段；所述第一光纤段具有第一数量个气孔光栅，所述第一数量个气孔光栅间隔相同且半径相同；所述第二光纤段具有第二数量个气孔光栅，所述第二数量个气孔光栅间隔相同且半径大小符合微腔谐振要求；所述第一光纤段和所述第二光纤段的各个气孔光栅是利用纳米级光束贯穿所在光纤形成的；所述第一光纤段和所述第二光纤段的直径为微米级或纳米级。应用本发明实施例能够实现无需借助额外设备，实现耦合的目的。

Description

一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列

技术领域

本发明涉及光子晶体领域，特别是涉及一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列。

背景技术

自从上世纪八十年代末提出光子晶体概念以来，随着微纳加工制备技术的发展，光子晶体的相关技术得到了迅速发展和广泛应用。其中，光子晶体很重要的一个应用是用于实现光子晶体传感器。光子晶体传感器作为一种全新的传感器，能够利用光实现对目标的检测。

为了在同一时间对多种目标进行检测，可以将多个光子晶体传感器组成光子晶体传感器阵列。在相关技术中，常用的一种光子晶体传感器阵列由设置于硅片基底上的多个光子晶体传感器构成。每个光子晶体传感器包括一个波导和一个光子晶体微腔器件。其中，波导和光子晶体微腔器件均为单模光纤，波导通过与光子晶体微腔器件上的多个微腔耦合，来实现光的传播。但该光子晶体传感器阵列必须借助额外的设备才能实现耦合。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，以实现无需借助额外设备，实现耦合的目的。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，包括：

N个并行排列的光子晶体纳米束微腔传感器；

其中，每个光子晶体纳米束微腔传感器包括位于同一光纤上的作为带隙滤波器的第一光纤段和作为微腔的第二光纤段；

所述第一光纤段具有第一数量个气孔光栅，所述第一数量个气孔光栅间隔相同且半径相同；所述第二光纤段具有第二数量个气孔光栅，所述第二数量个气孔光栅间隔相同且半径大小符合微腔谐振要求；所述第一光纤段和所述第二光纤段的各个气孔光栅是利用纳米级光束贯穿所在光纤形成的；

所述第一光纤段和所述第二光纤段的直径为微米级或纳米级。

可选的，所述第二光纤段的第二数量个气孔光栅，包括：

第一子段的N_t个气孔光栅、第二子段的N_m个气孔光栅、第三子段的N_m个气孔光栅和第四子段的N_t个气孔光栅；

其中，所述第一子段、所述第二子段、所述第三子段和所述第四子段依次相邻；所述第一子段的气孔光栅和所述第四子段的气孔光栅呈镜像分布，所述第二子段的气孔光栅和所述第三子段的气孔光栅呈镜像分布；

所述第一子段的N_t个气孔光栅的半径相同；

所述第二子段的N_m个气孔光栅的半径呈递增式，其中，所述第二子段的N_m个气孔光栅中，与所述第一子段距离最近的目标气孔光栅的半径最小，且所述目标气孔光栅的半径与所述第一子段的气孔光栅的半径相同。

可选的，各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_f不同，并且各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_g不同；其中，所述a_f为所述第一光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离，所述a_g为所述第二光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离。

可选的，所述光纤的折射率为1.0；所述N＝7；所述第一数量为40，所述N_t＝10，所述N_m＝20。

本发明实施例所提供的方案中，每个光子晶体纳米束微腔传感器是基于光纤实现的，光纤上的气孔光栅与光纤可以直接实现耦合。因此，相比于相关技术，本发明实施例所提供的方案无需借助额外设备，就能实现耦合。

当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列中任一光子晶体纳米束微腔传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的应用示意图；

图4为本发明实施例所提供的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的实物结构图；

图5为本发明实施例所提供的7通道光子晶体纳米束微腔传感器阵列的透射谱示意图；

图6为本发明实施例所提供的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的7通道谐振峰波长随折射率变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了实现无需借助额外设备，实现耦合的目的，本发明实施例提供了一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，可以包括：

N个并行排列的光子晶体纳米束微腔传感器，该N个光子晶体纳米束微腔传感器如图1所示的a1、a2，…，aN；

其中，每个光子晶体纳米束微腔传感器包括位于同一光纤上的作为带隙滤波器的第一光纤段101和作为微腔的第二光纤段102；

所述第一光纤段101具有第一数量个气孔光栅，所述第一数量个气孔光栅间隔相同且半径相同；所述第二光纤段102具有第二数量个气孔光栅，所述第二数量个气孔光栅间隔相同且半径大小符合微腔谐振要求；所述第一光纤段101和所述第二光纤段102的各个气孔光栅是利用纳米级光束贯穿所在光纤形成的；

所述第一光纤段101和所述第二光纤段102的直径为微米级或纳米级。

需要说明的是，如图1所示，本发明以矩形长条表示光纤，其上的各个圆形为气孔光栅。各个圆形的半径仅仅作为示意，并不限定各个气孔光栅的半径值。气孔光栅半径大小符合微腔谐振要求可以是：气孔光栅半径大小不完全相同，并遵循一定排布规律等等。

其中，N为大于0的自然数，比如N可以为5或者7等等。另外，为了清楚标注标号，图1中仅仅以光子晶体纳米束微腔传感器a1为例，对各个部分给出了标号101和102。

其中，所述第一光纤段101和所述第二光纤段102的各个气孔光栅是利用纳米级光束贯穿所在光纤形成的，因而各个气孔光栅的孔径是纳米级的。其中，所述纳米级光束可以为纳米级激光束等。可以理解的是，如此形成的所述第二光纤段的微腔为纳米束微腔，纳米束微腔是多种微腔形式中的一种。在实现相同数量级的质量因子和模式体积的情况下，相比于其他类型的微腔，纳米束微腔尺寸较小、功耗较低、结构简单且制备容易。

并且，所述第一光纤段101和所述第二光纤段102的直径为微米级或纳米级，这样，可以减小光子晶体纳米束微腔传感器的体积，实现小型化。

需要说明的是，所述第一光纤段101代表的带隙滤波器的作用是：滤除光子晶体纳米束微腔传感器的输入光中的高阶谐振模，仅容许输入光中的基模通过。而所述第二光纤段102代表的微腔的作用是：利用多个气孔光栅形成的微谐振腔，将光场能量长时间束缚在很小的体积内，增强光与物质的相互作用，实现输入光中的基模谐振传输。

本发明实施例所述提供的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列可以用于多目标检测，比如可以用于气体检测。在检测时，所述传感器阵列的左侧可以串联一个1×N等功率光分束器，右侧可以串联一个N×1光功率合成器，并在所述N×1光功率合成器之后外接一个光谱仪。当光从1×N等功率光分束器进入，依次经过所述1×N等功率光分束器、所述传感器阵列及所述N×1光功率合成器后，可以由所述光谱仪得到输出光的透射谱。利用透射谱中每个光子晶体纳米束微腔传感器对应的谐振峰的波长，可以确定该光子晶体纳米束微腔传感器检测到的气体的类型等。

本发明实施例所提供的方案中，每个光子晶体纳米束微腔传感器是基于光纤实现的，光纤上的气孔光栅与光纤可以直接实现耦合。因此，相比于相关技术，本发明实施例所提供的方案无需借助额外设备，就能实现耦合。由于本发明实施例所提供的方案不需要一些复杂的校准系统来实现耦合，因此，避免了复杂的校准系统所带来的器件封装、对准困难等问题，同时，本发明实施例所提供的方案的制作材料价格廉价，能够有效降低成本。

可选的，在本发明实施例中，所述第二光纤段102的第二数量个气孔光栅，可以包括：

第一子段的N_t个气孔光栅、第二子段的N_m个气孔光栅、第三子段的N_m个气孔光栅和第四子段的N_t个气孔光栅。

其中，所述第一子段、所述第二子段、所述第三子段和所述第四子段依次相邻；所述第一子段的气孔光栅和所述第四子段的气孔光栅呈镜像分布，所述第二子段的气孔光栅和所述第三子段的气孔光栅呈镜像分布。

所述第一子段的N_t个气孔光栅的半径相同。

参见图2所示的任一光子晶体纳米束微腔传感器的结构示意图，1021为所述第一子段，1022为所述第二子段，1023为所述第三子段，1024为所述第四子段。

在实际应用中，所述第一子段1021和所述第四子段1024可以被称之为镜区；所述第二子段1022和所述第三子段1023可以被称之为锥形区。

以所述第二光纤段102中心的虚线为中心，所述第一子段1021的气孔光栅和所述第四子段1024的气孔光栅呈镜像分布，所述第二子段1022的气孔光栅和所述第三子段1023的气孔光栅呈镜像分布；需要说明的是，图2中的所述虚线仅仅作为示意，并不具有实质意义。

所述第二子段的N_m个气孔光栅的半径呈递增式，相应的，所述第三子段的N_m个气孔光栅的半径呈递减式，这样的半径分布是符合微腔谐振要求的，通过上述符合微腔谐振要求的多个气孔光栅，可以使得输入光通过后产生谐振峰。

为了使所述传感器阵列的各个光子晶体纳米束微腔传感器的谐振峰不重合，实现检测不同目标的目的。在设计所述传感器阵列时，可以在仿真工具中，调节各个光子晶体纳米束微腔传感器的参数，使得各个光子晶体纳米束微腔传感器的谐振峰之间具有一定的间距。比如所述间距可以至少为30纳米。

其中，可调节的参数包括第一数量N_f、所述N_t、所述N_m、所述第一光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离a_f、所述第一光纤段的气孔光栅的半径r_f、所述第二光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离a_g、所述第一子段1021和所述第四子段1024的气孔光栅的半径r_end，以及所述第二子段1022和所述第三子段1023的气孔光栅的最大半径r_center。

可选的，为了调节简便，可以仅调节a_f和a_g，使得各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_f不同，并且各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_g不同。

通过仿真设计，对于光子晶体纳米束微腔传感器的直径10微米的情况下：

所述光纤的折射率为1.0；所述N＝7；所述第一数量为40，所述N_t＝10，所述N_m＝20。

其中，所述N＝7；即所述传感器阵列具有7个通道。每个通道对应一个光子晶体纳米束微腔传感器。每个通道的光子晶体纳米束微腔传感器用于检测特定折射率的目标。

本发明实施例所提供的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列可以用于同时检测多个目标。在具体应用中，本发明实施例所提供的传感器阵列可以用于检测气体，利用光在不同气体中不同的折射率实现检测不同目标的目的。比如针对未知的气体，可以检测出该气体中存在的各种气体类型；或者在已知气体类型的情况下，可以检测出不同的气体浓度。

参见图3所示的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的应用示意图，以便于理解实际检测中，本发明实施例的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的应用场景。

在实际应用中，可以在所述基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列之前串联一个1×N等功率光分束器，用于将输入光分成等功率的N份，每一份光进入一个通道；并在所述基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列之后串联一个N×1光功率合成器，用于将N个通道的输出光进行合成。在所述N×1光功率合成器之后，可以外接一个光谱仪用于检测合成后的输出光，得到输出光的透射谱。

为了直观的理解上述基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的应用示意图，可以参见图4所示的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列的实物结构图进行理解。

在图4中，所述X为一单模光纤，所述X的直径为微米级，比如，所述X的直径可以为10微米。

在实际加工过程中，可以将该单模光纤X进行拉伸，得到N个直径减小的光纤。所述301和所述303中各个光纤为渐变的锥形，当然，在实际加工中，所述301和所述303中各个光纤的形状不限于锥形。所述301为所述1×N等功率光分束器，所述302为基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，所述303为所述N×1光功率合成器。所述302中每个光纤对应一个通道的光子晶体纳米束微腔传感器。

当待测目标为气体时，可以将图4所示的基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列至于待测气体中，当光从该单模光纤X的输入端进入，再从输出端输出后，利用输出端外接的光谱仪可以得到N个通道对应的基模谐振峰，利用每个通道的基模谐振峰对应的波长，确定该通道输入光的折射率，从而根据折射率与气体类型的对应关系，得到该通道检测出的气体类型；或者根据折射率与气体浓度的对应关系，得到该通道检测出的气体浓度，等等。

在仿真过程中，可以利用3D-FDTD(3Dimensions-Finite-Difference Time-Domain，三维有限时域差分法)，通过数值模拟计算分别得到7通道输出的透射谱。参见图5所示的7通道光子晶体纳米束微腔传感器阵列的透射谱示意图，该图中横坐标为波长，纵坐标为透射谱。7通道的传感器阵列的透射谱呈现出7个独立的谐振峰，每个谐振峰对应一个通道，各通道的谐振峰之间具有一定的间距。每个谐振峰对应的波长表示该通道能检测出的波长。

因为不同气体的折射率差值很小，比如空气的折射率为1.000292，氮气的折射率为1.001481等。为了检测气体折射率的微小变化对各通道谐振峰的影响，在仿真中，可以改变气体折射率RI的值，比如，RI依次取1.00、1.003、1.006、1.009、1.012和1.015。

参见图6所示的7通道谐振峰波长随折射率变化示意图。该图中横轴为折射率RI，纵轴为谐振峰对应的波长，S1-S7分别为通道1-通道7。为了便于观察，在图6中，用不同线型的线条区分S1-S7。从该图中可以看出，各个通道的谐振峰之间彼此独立，具有一定的间距，当折射率RI从1.00逐渐增加至1.015时，每个通道的谐振峰对应的波长向波长增大的方向移动，并且遵循线性变化，各通道的各个折射率下的谐振峰互不干扰。说明本发明实施例所提供的传感器阵列线性灵敏度优良，适合折射率具有微小差异的传感环境，可以用作实现多路复用传感，可以同时检测不同折射率的目标。

经过实验得知，本发明实施例所提供的传感器阵列的平均灵敏度可以达到666.57nm/RIU(Refractive Index Unit，单位折射率)，而使用相关技术的通用硅片上集成的纳米束腔体传感器的灵敏度为100nm/RIU。因此，相比于该相关技术，本发明实施例所提供的传感器阵列的灵敏度大约提升六倍，因此，本发明实施例所提供的传感器阵列非常适合需要高灵敏度的检测场合，如气体传感环境。同时与传统集成器件相比，本发明实施例所提供的传感器阵列，还具有高品质因数、小模式体积等特点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于微纳光纤的光子晶体纳米束微腔传感器阵列，其特征在于，包括：

N个并行排列的光子晶体纳米束微腔传感器；

2.根据权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述第二光纤段的第二数量个气孔光栅，包括：

所述第一子段的N_t个气孔光栅的半径相同；

3.根据权利要求2所述的传感器阵列，其特征在于，各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_f不同，并且各个光子晶体纳米束微腔传感器的a_g不同；其中，所述a_f为所述第一光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离，所述a_g为所述第二光纤段任意相邻的两个气孔光栅的中心距离。

4.根据权利要求2所述的传感器阵列，其特征在于，

所述光纤的折射率为1.0；

所述N＝7；

所述第一数量为40，所述N_t＝10，所述N_m＝20。