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專利名稱：一種基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體折射率檢測器，特別是涉及一種基于光子晶體的十字形線缺陷波導氣體折射率檢測器。
背景技術：
光子晶體從1998年到現在取得了巨大的發展，越來越多的科學家和企業家開始關注光子晶體的發展。二維光子晶體由于相對容易制造以及所具有的許多光學特性，在各種研究中受到關注。光子晶體的重要特性是光子禁帶的存在。在光子晶體中引入缺陷后由于缺陷模的出現，就可以對光子晶體進行控制。如引入點缺陷組，可以實現諧振腔，而引入線缺陷，就可以實現光子晶體波導。通過光子晶體對光路的控制以及光子晶體自身結構對光輸出的影響，使得光子晶體在檢測器方面有著較大的潛力。目前的光子晶體器件多用于濾波器、功率分配器的制作，而基于光子晶體的檢測器則多是對蛋白質和液體的檢測。如文獻 1:Mindy Lee and Philippe M.Fauchet.Two-dimensionalsilicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection.0PTICS EXPRESS.2007, 15(8).4531.中公布了基于光子晶體的蛋白質檢測器；文獻2:OferLevi, Meredith M.Lee, Jingyu Zhang, Virginie Lousse, Steven R.J.Brueck, ShanhuiFan, and James S.Harris.Sensitivity analysis of a photonic crystal structure forindex-of-refraction sensing.Proceedings of SPIE.2007 6447, 64470.中公布了基于光子晶體的溶液折射率檢測器。在氣體檢測方面，光子晶體的應用仍然較少，本發明是對氣體折射率的檢測，基于光子晶體的器件體積小易于與激光器件集成，結構特性穩定，壽命較長可以重復利用，使其在檢測器的集成應用中有著較好的前景。在石油、化工、冶金、電力、醫藥等行業中，都要求對各種氣體介質進行計量和控制，這對保證產品質量，節省能源，降低原材料消耗和加強經濟核算有著重要的意義。而且如何全面有效的對有毒氣體密度進行精準和實時監測，對保障生產、人生安全有十分重要的意義。傳統的氣體監測技術通常是基于非光學的監測，如采用電化學和半導體技術上的點式傳感器，雖然這些傳感器可以達 到足夠低的監測限，但其敏感膜表面易受污染，而且其響應比較遲鈍，可重復利用率低，使用壽命較短，難以實現實時在線連續監督。當前，基于光譜吸收技術的光纖氣體探測器現在正被用于環境安全和工業過程監控等眾多應用領域。然而，這種氣體監測技術系統復雜，且易受光源的影響，穩定性比較差。近年來，光纖法珀干涉傳感器在氣體折射率/濃度測量領域受到人們的廣泛關注。但光纖法珀干涉傳感器的強度低、腔長比較短、分辨率低、誤差大，在實際應用中受到限制。鑒于以上各種較為成熟的氣體檢測技術存在各方面的缺陷，設計一種性質優良的氣體檢測裝置就顯得迫在眉睫。發明的內容本發明提供一種體積小、結構穩定、易于集成且可重復使用的基于光子晶體的氣體折射率檢測器。該檢測器將待測氣體作為基質充入光子晶體模塊，通過左右通道的耦合效率的比值，實現對待測氣體折射率的有效檢測。
本發明為了實現上述的目的采用了以下的結構:本發明提供了一種基于光子晶體的氣體折射率檢測器，其特征在于，具有:介質柱，介質柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體。光子晶體包含橫、縱方向設置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形波導結構的通道，并將光子晶體分成對稱的復數個區塊。光子晶體包含一對點缺陷組，點缺陷組對設置在一條線缺陷所形成的通道上。光子晶體相對設置有輸出端，光子晶體設置有輸入端，輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發射器。裝有光子晶體氣室，以及外部連接計算部。在本發明所涉及的氣體折射率探測器中，光子晶體的晶格常數為0.545
0.555 μ m,介質柱的相對介電常數大于基質的介電常數,基質為待測氣體，介質柱的材料為硅。進一步，線缺陷的寬度為晶格常數的2倍；進一步，點缺陷組設置在橫向設置的線缺陷形成的通道上，并以縱向設置的線缺陷為中心線對稱設置有兩組點缺陷組，分別為第I點缺陷組和第2點缺陷組。進一步，兩組點缺陷組由5種不同半徑的介質柱沿橫向設置的線缺陷形成的通道上以直線的形式排列而成，分別為介質柱，第I介質柱，第2介質柱，第3介質柱，和第4介質柱，點缺陷組與光子晶體的晶格常數相同。在第I點缺陷組中，第I介質柱的半徑為介質柱半徑的1.35 1.40倍，設置在第I點缺陷組的兩端，兩個介質柱與兩個第I介質柱在第I點缺陷組所在的直線上相鄰排列，第2介質柱的半徑為介質柱半徑的0.30 0.4倍，設置在第I點缺陷組的中心。在第2點缺陷組中，第3介質柱的半徑為介質柱半徑的1.25
1.35倍，設置在第2點缺陷組的兩端，兩個介質柱與兩個第3介質柱在第2點缺陷組所在的直線上相鄰排列，第4介質柱的半徑為介質柱半徑的0.31 0.33倍，設置在第2點缺陷組的中心。介質柱半徑為晶格常數的0.15 0.25倍。進一步，兩個輸出端相對設置在橫向設置的線缺陷所形成的通道的兩端，分別為第I輸出端和第2輸出端,第I輸出端和第2輸出端處各設有一個光功率探測器,光功率探測器對準線缺陷作為光接收單元。進一步，輸入端設置在縱向設置的線缺陷的一端，激光發射器的入射激光的頻率為晶體常數的2.80 2.90倍，采用C-波段(1530 1560nm)激光入射。進一步，光子晶體置于氣室中，氣室開有通氣孔。另外，計算部計算第I輸出端的光功率與第2輸出端的光功率的比值并得到基質折射率。發明效果本發明提供了一種基于光子晶體的氣體折射率檢測器，其具有:介質柱，介質柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體。光子晶體包含橫、縱方向設置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形通道，并將光子晶體分成對稱的復數個區塊。光子晶體包含一對點缺陷組，點缺陷組相對設置在一條線缺陷所形成的通道上由于光子晶體有體積小，使得氣體折射率檢測器有體積小的特點。光子晶體相對設置有輸出端，光子晶體設置有輸入端，輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發射器。光子晶體安裝于氣室中，以及外部連接的計算部。由于光子晶體具有性能穩定，結構簡單，使用壽命長等優點，且便于與激光發射器和光功率探測器耦合集成，從而使得本發明在集成應用中占有優勢。


圖1:氣體折射率檢測器光子晶體部分結構平面圖。圖2:氣體折射率檢測器光子晶體部分立體圖。圖3:氣體折射率檢測器立體結構外觀。圖4:氣體折射率探測器的左右通道輸出光功率比與待測氣體折射率的關系圖
具體實施例方式以下結合附圖，對本發明涉及的基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器進行詳細的說明。實施方式:圖1為本發明實施例的氣體折射率檢測器光子晶體部分的平面示意圖。如圖1中所示，本發明實施例光子晶體氣體折射率檢測器10有光子晶體11，光子晶體11由介質柱12組成，并在二維的空間上以晶格的形式排列，介質柱的排列方式是相鄰介質柱之間的向量的夾角α為90°。介質柱12之間的距離為d=0.55 μ m，即為光子晶體11的晶格常數。介質柱12的半徑為r=0.2d=0.11 μ m，并排列成方形，在本實施例中介質柱12的材料為硅。光子晶體既可以用實心的圓柱制作，也可以采用空氣孔的方式，在本實施例中使用的是實心的介質柱。在光子晶體11中引入缺陷，如線缺陷13a與線缺陷13b，打破了光子晶體11的周期性，電磁波(光波即為電磁波的一種形式)將被局域在線缺陷(即為線缺陷13a，線缺陷13b)中，從而實現了對光波傳播的控制。在光子晶體11的橫向線缺陷13a的寬度L為晶格常數d的2倍為1.10 μ m。同時，在光子晶體11的縱向線缺陷13b的寬度為晶格常數d的2倍為1.10 μ mo橫向線缺陷13a與縱向線缺陷13b正交,形成十字形線缺陷波導結構的通道，并將光子晶體11分割成對稱的四部分。在橫向線缺陷13a上，以縱向線缺陷13b為中心線，對稱設置了點缺陷組14a和點缺陷組14b，點缺陷組14a和點缺陷組14b是由不同半徑的數個介質柱構成，并且與周圍的光子晶體11有相同的晶格常數。左邊點缺陷組14a位于以縱向線缺陷13b為中心線的左邊，是由兩個半徑為rl=l.38*r=0.1518 μ m的介質柱，兩個半徑為r=0.1lym的介質柱和一個半徑為r2=0.33*r=0.0363 μ m的介質柱沿橫向線缺陷13a排列而成。兩個半徑為rl的介質柱分別位于點缺陷組14a的兩端，兩個半徑為r的介質柱與兩個半徑為rl的介質柱沿線缺陷13a相鄰排列，半徑為r2的介質柱位于點缺陷組14a的中心，與兩個半徑為r的介質柱相鄰排列。右邊點缺陷組14b位于以縱向線缺陷13b為中心線的右邊，是由兩個半徑為r3=l.30*r=0.1430 μ m的介質柱，兩個半徑為r=0.1lym的介質柱和一個半徑為r4=0.328*r=0.0361 μ m的介質柱沿橫向線缺陷13a排列而成。兩個半徑為r3的介質柱位于點缺陷組14b的兩端，兩個半徑為r的介質柱與兩個半徑為r3的介質柱沿線缺陷13a相鄰排列，半徑為r4的介質柱位于點缺陷組14b的兩端，并于兩個半徑為r的介質柱相鄰排列。
在設有點缺陷組14的橫向線缺陷13a形成的通道的兩端，相對設置了光功率探測器15a、15b，分別為輸出端OUTl以及輸出端0UT2。在縱向線缺陷13b所形成的通道的一端作為激光入射設置了激光發生器16,入射方向為A方向。將待測氣體充入氣室內，打開激光發生器16。激光發生器16產生出波長為λ =1.545 μ m的激光，入射激光被局限在線缺陷13b中傳輸。當光波傳輸到點缺陷組附近時，有一部分光會耦合到線缺陷13a的波導中，分別是左邊的點缺陷組14a以及右邊的點缺陷組14b。光功率探測器15a和光功率探測器15b可以分別得到點缺陷組14a，及點缺陷組14b的耦合光功率。此時，如果基質(即待測氣體)的折射率發生改變，點缺陷組14a、14b的耦合光功率也會發生相應的變化。經實驗發現兩缺陷組變化后耦合光功率的比值與待測氣體的折射率有比較明顯的線性關系。圖2為本發明實施例的光子晶體氣體折射率檢測器光子晶體部分的立體示意圖。如圖2所示，組成光子晶體介質柱被置于在一塊硅基板17上，介質柱12以及各組成點缺陷組14a及14b的介質柱的高度相同。在輸出端OUTl及輸出端0UT2的光功率探測器15a，15b固定在硅基板17上。圖3為本發明實施例的光子晶體氣體折射率檢測器的立體外觀結構示意圖。如圖3和圖1所示，光子晶體11被設置在氣室18中，輸出端OUTl與輸出端0UT2處的光功率探測器15a，15b位于氣室18的表面外側，激光發生器16同樣位于氣室18的表面外側，并且設有外罩保護。在氣室18的兩側各設置了兩個通氣孔19。圖4為本發明實施例的光子晶體氣體折射率檢測器的左右通道光功率比值與待測氣體折射率的關系圖。如圖4所示，先將左右探測器探測15a，15b，并通過計算部得到左右通道光功率的比值。與待測氣體的折射率建立關系可繪制圖4的曲線。縱軸為左右通道輸出的光功率比，橫軸為待測氣體折射率。該曲線顯示出了很好的線性擬合,驗證了光子晶體氣體折射率檢測器的優良性能。實施例的作用與效果根據實施例所涉及的基于二維光子晶體的氣體折射率檢測器，因為其使用了硅材料制作的介質柱形成的光子晶體，由于光子晶體有體積小，可以與激光發射器和光功率探測器耦合集成的特點，使得本發明涉及的氣體折射率探測器具有結構簡單，性能穩定和易于制作成便攜設備等特點。通過在光子晶體上引入十字形線缺陷結構形成波導的通道，從而改變了光子晶體介質周圍的周期性結構，光波被局限在線缺陷內傳播，從而實現了對光波傳播的控制。同時，在導帶上引入了點缺陷組，可形成高品質因素的諧振腔，光波可耦合到點缺陷組所形成的微腔內。點缺陷組可起到穩定的輸出作用，使得本發明有穩定的性能。由于光功率探測器可對應于點缺陷組的中心頻率光的特性，可減少本發明對光源頻譜的要求，降低了對于激光發射器光源的品質的依賴。在折射率探測器的表殼上設置的通氣口能夠實時地測量外界的空氣的折射率實現可重復化的檢測。利用存儲于計算部已知的折射率曲線做比對可以對待測氣體進行做快速的檢測和比對，迅速得到待測氣體的特征，在檢測領域有廣泛的應用價值。
權利要求
1.一種基于光子晶體的氣體折射率探測器，其特征在于，具有: 介質柱，所述介質柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體； 所述光子晶體包含橫、縱方向設置的線缺陷，兩條所述線缺陷呈十字形波導結構的通道，并將所述光子晶體分成對稱的復數個區塊； 所述光子晶體包含一對點缺陷組，所述點缺陷組相對設置在一條所述線缺陷所形成的通道上； 所述光子晶體相對設置有輸出端，所述光子晶體設置有輸入端； 所述輸出端配置了光功率探測器，所述輸入端配置了激光發射器； 裝有所述光子晶體的氣室；以及 外部連接計算部。
2.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述光子晶體的晶格常數為0.545 0.555 μ m， 所述介質柱的相對介電常數大于所述基質的介電常數，所述基質為待測氣體，所述介質柱的材料為硅。
3.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述線缺陷的寬度為所述晶格常數的2倍。
4.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述點缺陷組設置在橫向設置的所述線缺陷形成的通道上，并以縱向設置的所述線缺陷為中心線對稱設置有兩組所述點缺陷組，分別為第I所述點缺陷組和第2所述點缺陷組。
5.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，兩組所述點缺陷組由5種不同半徑的介質柱沿橫向設置的所述線缺陷形成的通道上以直線的形式排列而成,分別為所述介質柱,第I介質柱,第2介質柱，第3介質柱，和第4介質柱，所述點缺陷組與所述光子晶體的晶格常數相同； 在所述第I點缺陷組中，所述第I介質柱的半徑為所述介質柱半徑的1.38倍，設置在所述第I點缺陷組的兩端，兩個所述介質柱與兩個所述第I介質柱在第I點缺陷組所在的直線上相鄰排列，所述第2介質柱的半徑為所述介質柱半徑的0.33倍，設置在所述第I點缺陷組的中心； 在所述第2點缺陷組中，所述第3介質柱的半徑為所述介質柱半徑的1.3倍，設置在第2所述點缺陷組的兩端，兩個所述介質柱與兩個所述第3介質柱在第2點缺陷組所在的直線上相鄰排列，所述第4介質柱的半徑為所述介質柱半徑的0.328倍，設置在所述第2點缺陷組的中心。
所述介質柱半徑約為所述晶格常數的0.2倍。
6.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，兩個所述輸出端相對設置在橫向設置的所述線缺陷所形成的通道的兩端，分別為第I輸出端和第2輸出端，所述第I輸出端和所述第2輸出端處各設有一個光功率探測器，所述光功率探測對準所述線缺陷作為光接收單元。
7.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述輸入端設置在縱向設置的所述線缺陷的一端，所述激光發射器的入射激光的頻率為所述晶體常數的2.809倍，采用C-波段(1530 1560nm)激光入射。
8.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述光子晶體置于所述氣室中，所述氣室開有通氣孔。
9.根據權利要求1所述氣體折射率探測器，其特征在于: 其中，所述計算部計算所述第I輸出端的光功率與所述第2輸出端的光功率的比值并得到所述基質折射率。 ·
全文摘要
本發明涉及了一種基于光子晶體的氣體折射率探測器。該氣體折射率探測器包括介質柱，介質柱在二維空間上呈晶格形式排列形成光子晶體，光子晶體包含橫、縱方向設置的線缺陷，兩條線缺陷呈十字形波導結構的通道，并將光子晶體分成對稱的復數個區塊；光子晶體包含一對點缺陷組，點缺陷組相對設置在線缺陷所形成的通道上；光子晶體相對設置有輸出端，光子晶體設置有輸入端；輸出端配置了光功率探測器，輸入端配置了激光發射器；光子晶體含于氣室，通過計算部計算輸出端兩端光功率的比值得到待測氣體的折射率。該氣體折射率探測器有檢測范圍大，體積小，可重復檢測，反應速度快等特點，在快速檢測領域有廣闊的應用。
文檔編號G01N21/41GK103196866SQ20131008064
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者梁斌明, 胡艾青, 蔣強, 朱幸福, 湛勝高, 王榮 申請人:上海理工大學