CN109884558A - 一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，包括光子晶体平板和磁敏薄膜；光子晶体平板上设有若干阵列布置的空气孔；光子晶体平板上设有点缺陷微腔，磁敏薄膜覆盖在微腔表面；光子晶体平板上设有光子晶体波导。本发明将磁敏薄膜覆盖于光子晶体平板微腔的表面上，随着外界磁场的变化，磁敏薄膜的折射率会发生不同程度的变化，由于倏逝波的耦合作用，从而使光子晶体平板波导输出光谱中的能量损耗发生变化，根据能量损耗的大小反推出外界磁场的变化量，具有安全防爆、抗电磁干扰、质量轻、响应速度快、测量范围大、可进行实时远距离检测等优异特性，又解决了传统光学磁场传感器测量测量微弱磁场灵敏度较低的问题，提高了弱磁场测量的精度。

Description

一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器

技术领域

本发明属于光学磁场检测研究领域，具体涉及一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器。

背景技术

磁场传感器对于一系列应用至关重要，包括计算机中的存储器读取和医疗诊断。许多这些应用需要高精度的磁场测量。传统的宏磁传感器如应用广泛的基于霍尔效应的磁场传感器和线圈式磁传感器虽然使用方便、价格便宜，但精度不高、温度稳定性不好、体积大、重量重，而且还存在响应慢、分辨，抗干扰能力和可靠性差等问题。随着市场需求的变化，磁传感器逐渐向小型化和集成化发展。因此，急需一种小型化、易集成、灵敏度高的新型传感器。而基于磁光效应的光学磁场传感器由于其具有安全防爆、抗电磁干扰、质量轻、响应速度快、测量范围大、可进行实时远距离监测等优异特性而成为目前研究最多的磁场测量技术。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，特别适用于弱磁场的测量，为高灵敏度的磁场测量提供了一种新技术和新思路，本发明不仅具有传统光学磁场传感器的优点,还具有操作简单、结构小、灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好等优异特性，所述测量装置能够大大拓宽光学磁场传感器在磁场测量领域中的应用,具有十分重大的现实意义。此外，通过在光子晶体平板微腔上覆着各向异性磁敏薄膜，即不同磁场方向下磁敏薄膜的折射率变化不同，该磁场传感器也可以对磁场方向进行检测，解决了传统磁场传感器中精度不高、体积大、抗干扰能力和可靠性差等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，包括光子晶体平板和磁敏薄膜；

所述光子晶体平板上设有若干阵列布置的空气孔；

所述光子晶体平板上设有点缺陷微腔，所述磁敏薄膜覆盖在微腔表面；

所述光子晶体平板上设有光子晶体波导。

上述方案中，所述空气孔呈等边三角形排列。

进一步的，所述空气孔的半径为r＝0.29a，其中a为光子晶体的晶格常数，其中，a＝420nm。

进一步的，所述点缺陷微腔为L3型点缺陷微腔。

进一步的，所述L3型点缺陷微腔边缘的两个空气孔分别向外侧移动Δx＝0.15a。

上述方案中，所述光子晶体波导为空气桥结构。

进一步的，所述光子晶体波导的波导宽度为

上述方案中，所述光子晶体平板的材质为Si基板；所述Si基板的厚度为h＝0.6a,有效折射率为n＝3.4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过将磁敏薄膜覆盖于光子晶体平板微腔的表面上，形成一个新型的光子晶体平板微腔结构,即新型弱磁传感器。随着外界磁场的变化，磁敏薄膜的折射率会发生不同程度的变化，由于倏逝波的耦合作用，从而使光子晶体平板波导输出光谱中的能量损耗发生变化。最后，根据能量损耗的大小反推出外界磁场的变化量，实现对磁场的测量，具有安全防爆、抗电磁干扰、质量轻、响应速度快、测量范围大、可进行实时远距离检测等优异特性，又解决了传统光学磁场传感器测量测量微弱磁场灵敏度较低的问题，提高了弱磁场测量的精度。

2.本发明不仅解决了微弱磁场的检测问题，还为磁场方向的测量提供了新技术和新方法。

3.本发明提高了装置的性能，并且光子晶体平板微腔的尺寸仅为微米量级，能用于测量空间狭小或者某些需要单点测量要求的场合。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述L3型光子晶体平板微腔结构示意图；

图3为本发明微腔中能量与外部磁场强度的关系。

图中，1.Si基板，2.空气孔，3.光发射器，4.L3型点缺陷微腔，5.磁敏薄膜，6.光探测器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明所述基于光子晶体平板微腔的磁场传感器的一种实施方式，所述基于光子晶体平板微腔的磁场传感器包括光子晶体平板和磁敏薄膜5；

所述光子晶体平板上设有若干阵列布置的空气孔2；

所述光子晶体平板上设有点缺陷微腔，所述磁敏薄膜5覆盖在微腔表面；

所述光子晶体平板上设有光子晶体波导。

本发明将所述磁敏薄膜5覆盖在光子晶体平板点缺陷微腔表面上,构成的复合新型的光子晶体平板微腔中的倏逝波与磁敏薄膜5会发生耦合，进而影响磁敏薄膜5对微腔内光的吸收特性。当外界磁场发生变化时,磁敏薄膜5的折射率会发生不同程度的变化,由于倏逝波的耦合作用导致光子晶体平板的微腔内电磁场能量发生改变，从而光子晶体波导输出光谱中的能量损耗发生变化,实现对磁场的测量。

本实施例中，所述光子晶体波导为空气桥结构，所述空气桥结构为去除一排空气孔。所述光子晶体平板上的空气孔呈等边三角形排列。优选的，所述空气孔的半径为r＝0.29a，其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距，本实施例中a＝420nm。所述光子晶体波导的波导宽度为所述光子晶体平板的材质为Si基板1；所述Si基板1的厚度为h＝0.6a,有效折射率为n＝3.4。

所述点缺陷微腔为L3型点缺陷微腔，即光子晶体平板中心去掉三个空气孔。L3型点缺陷微腔边缘的两个空气孔分别向外侧移动Δx＝0.15a＝0.063μm，其具有高的品质因子Q＝4.5×10⁴。

所述磁敏薄膜5的折射率n′要小于光子晶体平板的折射率n，且越小越好，由于倏逝波的衰减，选择的磁敏薄膜5厚度不能太厚。这里可以选择在弱磁场下具有良好磁阻效应且有较小折射率的复合材料薄膜，该类型材料薄膜的磁阻会随着外界磁场的改变而发生变化。磁阻的计算公式为：R_m＝l/uA,其中，A是磁路的截面积、l是磁路的长度；u是磁路材料的磁导率。磁阻的大小可以用电阻率的相对改变量来表示，即用Δρ/ρ₀表示，其中Δρ＝ρ_B-ρ₀,ρ_B是薄膜材料在外加磁感应强度为B时的电阻率；ρ₀是薄膜材料在磁感应强度为零时的电阻率。在弱磁场下，磁阻效应中的电阻率，即电阻变化可以表示为：Δρ/ρ₀＝0.275μ²B²,式中，μ为薄膜材料中载流子的迁移率；B为外加磁场的磁感应强度。所以可以知道，磁敏薄膜5材料的磁导率u与外加磁感应强度的平方B²是正比关系，即u∝B²。薄膜材料的折射率公式为：其中，ε_r为材料相对介电常数；u_r为材料相对磁导率。所以当外界磁感应强度发生变化时，会导致薄膜材料的折射率发生改变。

所述磁敏薄膜5覆盖于光子晶体平板一侧表面上，磁敏薄膜5完全覆盖光子晶体平板点缺陷微腔，该复合新型光子晶体平板微腔内将产生一个确定的能量损耗。当覆盖薄膜的光子晶体平板微腔所受磁场变化时,磁敏薄膜5的折射率随之发生改变,光子晶体平板微腔仅受到一种因素，即折射率的影响而发生能量损耗的变化，使得该磁场检测装置具有较高的灵敏度。

若所述磁敏薄膜5材料具有各向异性，则不同入射方向的磁场磁敏薄膜5会产生不同的磁阻效应，光子晶体平板微腔内会产生不同的能量损耗。对于该覆盖磁各向异性磁敏薄膜5的磁场传感器来说，不但可以检测外界磁感应强度，而且由于对不同的磁场入射角度会具有不同的磁敏特性，在外界磁场强度一定的情况下还可以对外界磁场方向进行测量。

本实施例中所述传感器的设计过程如下：

首先设置光子晶体平板参数，光子晶体平板上的空气孔呈等边三角形排列,空气孔的半径为r＝0.29a，其中a＝420nm。然后在光子晶体平板上设置一个光子晶体波导，波导宽度为光子晶体平板所选用的背景介质为普通硅材料,其厚度为h＝0.6a,折射率为n＝3.4。

再设置光子晶体平板微腔，该结构中的光子晶体平板微腔选用高品质因子Q＝45000的L3型光子晶体平板微腔，微腔边缘两处空气孔向外移动Δx＝0.15a，如图2所示。在时域有限差分方法的基础上，利用Rsoft软件中FDTD构建上述参数特征的光子晶体平板微腔模型，为了形成能感应磁场变化的新型光子晶体平板微腔结构，将在微弱磁场下具有良好磁阻效应的磁敏薄膜5材料覆盖在如图2所示的L3型光子晶体平板微腔上，形成基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，如图1所示。

所述磁敏薄膜5是磁性金属或半导体材料借助物理或化学方法均匀地分散在基板上而形成的一种稳定的薄膜状体系，在没有外加磁场的情况下，磁敏薄膜5材料具有稳定的电磁特性，但是当施加一定的外界磁场时，磁敏薄膜5会发生磁阻效应，进而影响磁敏薄膜5的折射率。利用磁敏薄膜5的这些特性，磁敏薄膜5在不同磁场作用下的折射率会发生变化,进而会引起系统的光功率输出发生相应变化。选取磁流体薄膜覆着在光子晶体平板微腔上，磁流体注入在玻璃单元中形成磁性流体薄膜，其折射率随外磁场的变化特性与磁流体薄膜中磁性颗粒的浓度，薄膜厚度，外磁场方向和场扫描速率等有关，该磁流体为平均直径约10nm的Fe3O4磁性颗粒水溶液，其膜层厚度L＝11.8微米，浓度C＝1.52％，检测光波长λ＝1.557μm,施加的磁场和磁流体薄膜法线之间的角度θ_H＝90°。在施加磁场强度为0～250Oe范围内，磁流体薄膜的折射率非线性增加，折射率变动范围为1.462～1.468。通过仿真，得到在此磁场强度范围下该复合新型光子晶体平板微腔能量损耗的变化，如图3所示。在此基础上，可以构建外界磁场变化量和能量损耗量之间的关系。

测量方法：在光子晶体平板波导两端分别设置光发射器3和光探测器6，发射光为连续脉冲激光，光探测器6监测激光的功率大小。当外界磁场作用在复合新型光子晶体平板微腔上时，由微腔与波导的耦合作用，可以通过光探测器6监测出能量损耗的变化进而反推出外界磁场的大小。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，包括光子晶体平板和磁敏薄膜；

所述光子晶体平板上设有若干阵列布置的空气孔(2)；

所述光子晶体平板上设有点缺陷微腔，所述磁敏薄膜(5)覆盖在微腔表面；

所述光子晶体平板上设有光子晶体波导。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述空气孔呈等边三角形排列。

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述空气孔的半径为r＝0.29a，其中a为光子晶体的晶格常数，a＝420nm。

4.根据权利要求3所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述点缺陷微腔为L3型点缺陷微腔(4)。

5.根据权利要求4所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述L3型点缺陷微腔(4)边缘的两个空气孔(2)分别向外侧移动Δx＝0.15a。

6.根据权利要求3所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述光子晶体波导为空气桥结构。

7.根据权利要求6所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述光子晶体波导的波导宽度为

8.根据权利要求3所述的基于光子晶体平板微腔的磁场传感器，其特征在于，所述光子晶体平板的材质为Si基板(1)；所述Si基板(1)的厚度为h＝0.6a,有效折射率为n＝3.4。