專利名稱：超小型微腔氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種氣體傳感器，特別涉及ー種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的ー維光子晶體超小型微腔的氣體傳感器，屬于氣體傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，氣體傳感器在環(huán)境質(zhì)量檢測、エ業(yè)生產(chǎn)過程和衛(wèi)生安全等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。氣體傳感器作為檢測氣體參數(shù)的關(guān)鍵部件，其檢測的原理主要是通過感知環(huán)境中某種氣體，將與該種氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成相關(guān)的物理參量，從而進(jìn)行氣體的檢測、監(jiān)控、分析、報(bào)警等。氣體的純度、含水量等都與氣體的介電常數(shù)有關(guān)，而氣體的介電常數(shù)又與其折射 率有關(guān)，因此，只要能夠精確地測量出氣體的折射率就可以實(shí)現(xiàn)對氣體的純度、含水量等參數(shù)的精確測量。目前，使用氣體傳感器測量氣體的折射率，大多是通過干涉法來實(shí)現(xiàn)，主要是利用邁克爾遜干涉法和馬赫ー曾德爾干渉法來實(shí)現(xiàn)氣體折射率的測量。但利用這兩種測量方法的氣體傳感器均存在體積大、不易集成、不能自動檢測和遠(yuǎn)程傳輸?shù)木窒蕖．?dāng)今，氣體傳感器引起了測量氣體折射率或者傳輸變化的廣泛關(guān)注。而在氣體傳感器中使用引入缺陷形成的光子晶體腔作為氣體傳感器的窄帶濾波器件是很有優(yōu)勢的，由于光子晶體腔的高品質(zhì)因子保證了窄帶濾波器輸出譜線的窄頻寬，所以當(dāng)外界環(huán)境條件改變即待測氣體的折射率改變時(shí)，窄帶濾波器所對應(yīng)的腔長也會變化。由于其頻寬超窄，氣體傳感器能探測到的相應(yīng)譜線也變得較為容易，這為設(shè)計(jì)氣體傳感器提供了新的平臺。由于光子晶體微腔結(jié)構(gòu)具有較高的微腔諧振品質(zhì)因素和較小的模式體積，因而它已經(jīng)被用于氣體傳感器領(lǐng)域，但是，目前大部分所用于氣體傳感器的光子晶體微腔都是基于平板光子晶體腔。E. Chow等人提出ー種基于ニ維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，該氣體傳感器的光子晶體微腔模塊為ー個(gè)三角晶格光子晶體，在該光子晶體微腔模塊上設(shè)置一系列的氣孔，與位于該光子晶體模塊上的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)形成ー個(gè)“申”字型的結(jié)構(gòu)。該氣體傳感器用于探測氣體折射率的變化，但是，光能在上述氣體傳感器的光子晶體模塊中透過率很低且這種傳感器所探測到的折射率變化只有O. 002。因此，提出ー種具有高的靈敏度和分辨率的氣體傳感器，具有重要的意義，也是本發(fā)明的任務(wù)所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，而設(shè)計(jì)ー種新型的基于ー維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。該氣體傳感器具有測量準(zhǔn)確，高靈敏度和低損耗的特點(diǎn)。本發(fā)明的基本設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)ー種基于寬度拋物線型和漸變孔徑的ー維光子晶體納米線腔的超小型微腔氣體傳感器。它包括光源、光耦合模塊、微腔模塊和光譜探測器；該光耦合模塊進(jìn)一歩包括全反射鏡，在全反射鏡的反射面設(shè)置起偏器，透鏡，還在起偏器的透射面，透鏡的前面或后面設(shè)置耦合光纖；微腔模塊進(jìn)一歩包括納米線腔，設(shè)置于該納米線腔上的氣孔和固定該納米線腔的腔體測試盒；所述光源發(fā)出的光經(jīng)全反射鏡反射后進(jìn)入起偏器，由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進(jìn)入微腔模塊。由于所述光子晶體納米線腔的光學(xué)模式的緊約束性對外界環(huán)境變化即氣體折射率變化具有高靈敏度；當(dāng)環(huán)境中所要測量的氣體折射率對比度提高時(shí)，納米線腔的光子帶隙加寬且諧振波長發(fā)生偏移，利用光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體的折射率大小。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提出的ー種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源、光I禹合模塊、率禹合光纖、微腔模塊、耦合連接光纖和光譜探測器；所述光耦合模塊進(jìn)一歩包括全反射鏡、起偏器和透鏡；所述微腔模塊進(jìn)一歩包括納米線腔和腔體測試盒；所述光源發(fā)出的光經(jīng)光耦合模塊中的全反射鏡反射后進(jìn)入起偏器，再由透鏡聚焦耦合至耦合光纖后進(jìn)入微腔模塊，所述耦合光纖設(shè)置于透鏡的后面，然后發(fā)出的光經(jīng)過微腔模塊再進(jìn)入耦合連接光纖，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器接收納米線腔的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體 的折射率大小。上述技術(shù)方案中，所述起偏器和透鏡設(shè)置于全反射鏡的反射面。上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔的腔型是基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結(jié)構(gòu)的ー維光子晶體微腔；所述納米線腔包括缺陷區(qū)，漸變區(qū)和反射鏡區(qū)，其上設(shè)置有氣孔，納米線腔由腔體測試盒固定。上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔上設(shè)置的氣孔為與其呈中心對稱分布的漸變區(qū)空氣孔和反射鏡區(qū)空氣孔。上述技術(shù)方案中，所述的耦合光纖和耦合連接光纖用作光進(jìn)入和連接的部分，其形狀均為錐形光纖。上述技術(shù)方案中，所述的光源為LED光源，或激光光源。上述技術(shù)方案中，所述的光譜探測器為光譜分析儀。上述技術(shù)方案中，所述的腔體測試盒置于待測氣體中，氣體能自由地在腔體測試盒內(nèi)流通。上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔上的氣孔對應(yīng)納米線腔的晶格常數(shù)a設(shè)置；其上呈中心對稱分布的反射鏡區(qū)空氣孔ー邊的空氣孔個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，且呈均勻分布，空氣孔的半徑滿足r= Pa，其中β為系數(shù)。上述技術(shù)方案中，所述的納米線腔上呈中心對稱分布的一邊的漸變區(qū)空氣孔個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，且漸變區(qū)空氣孔的半徑r從中心向兩邊呈線性增大變化，線性變化對應(yīng)的線性方程為r=i3an，其中β為系數(shù)，an為漸變空氣孔的兩孔中心之間的孔間距，最小的孔間距為a1； B1=Ct a，其中α為系數(shù)。本發(fā)明所述的超小型微腔氣體傳感器由于其光子晶體納米線腔的光學(xué)模式的緊約束性對環(huán)境變化具有高靈敏度，當(dāng)折射率對比度提高，納米線腔光子帶隙加寬且諧振波長發(fā)生偏移。諧振波長與氣體折射率變化的關(guān)系如下(Λ λ+ λ )/λ =l+(r/neff) Λη(I)其中λ是波長值，(Δ λ + λ)是諧振波長的擾動值，neff是在納米線中有效折射率未受擾動值，Γ是重疊在氣體上的模功率，微小的Vn變化也會導(dǎo)致Λ λ變化。假設(shè)響應(yīng)因子R被用來描述諧振波長λ或者頻率與氣體折射率的關(guān)系「 π An AA AmRx—=—=——(2)
η λ ω其中，Λ η、Λ λ和Λ ω分別表示折射率變化，波長偏移和頻率偏移；R表示超小型納腔氣體傳感器的靈敏度。微腔的Q因子等于λ/Λ λ '，其中Λ λ '是半高全寬(FWHM);所以微腔Q因子越高，波長分辨率越高，相應(yīng)地，氣體折射率的精確度也越高。由于所述的超小型微腔氣體傳感器的微腔結(jié)構(gòu)的缺陷態(tài)和其高斯型光子阱與增益介質(zhì)的完美匹配，使得該微腔具有高品質(zhì)因子Q和低模式體積V，從而實(shí)現(xiàn)所述傳感器對氣體折射率的高精度探測。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)和有益技術(shù)效果 I、本發(fā)明所公開的超小型微腔氣體傳感器，由于其基于寬度拋物線型和漸變孔徑的ー維光子晶體微腔的結(jié)構(gòu)缺陷態(tài)和其高斯型光子阱與增益介質(zhì)的完美匹配，使得該微腔具有高品質(zhì)因子Q和低模式體積V，從而實(shí)現(xiàn)氣體傳感器對氣體折射率的高精度探測。整個(gè)技術(shù)方案中沒有提到光子晶體微腔結(jié)構(gòu)2、本發(fā)明所公開的超小型微腔氣體傳感器，由于其光子晶體微腔是ー維腔體，同ニ維光子晶體平板腔相比，實(shí)現(xiàn)了相同量級Q值的情況下，尺寸更小，功耗更低。3、本發(fā)明所公開的超小型微腔氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、且具有較高的靈敏度和分辨率；其靈敏度可以達(dá)到180納米/単位折射率，分辨率可以達(dá)到O. 0001。


圖I是本發(fā)明超小型微腔氣體傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明超小型微腔氣體傳感器的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中不同折射率的待測氣體的諧振光譜示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例一中光子晶體微腔的諧振波長隨待測氣體折射率的變化曲線。圖中，I-光源，2-全反射鏡，3-起偏器，4-透鏡，5-耦合光纖，6_納米線腔，7_氣 し，8-腔體測試盒，9-耦合連接光纖，10-光譜探測器，1ト缺陷區(qū)，12-漸變區(qū)，13-反射鏡區(qū)。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖并用實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明，但并不意味著是對本發(fā)明所保護(hù)內(nèi)容的任何限定。圖I中，本發(fā)明的超小型微腔氣體傳感器，包括光源I、光耦合模塊14、耦合光纖5、微腔模塊15、耦合連接光纖9和光譜探測器10 ;所述光耦合模塊14進(jìn)ー步包括全反射鏡2、起偏器3和透鏡4 ;所述微腔模塊15進(jìn)ー步包括納米線腔6和腔體測試盒8 ;所述光源I發(fā)出的光經(jīng)光耦合模塊14中的全反射鏡2反射后進(jìn)入起偏器3，再由透鏡4聚焦耦合至耦合光纖5后進(jìn)入微腔模塊15，所述耦合光纖5設(shè)置于透鏡4的后面，然后發(fā)出的光經(jīng)過微腔模塊15再進(jìn)入耦合連接光纖9，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器10接收納米線腔6的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體的折射率大小。圖2中，所述微腔模塊15的納米線腔6為基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結(jié)構(gòu)ー維光子晶體微腔，它包括缺陷區(qū)11、漸變區(qū)12和反射鏡區(qū)13 ;其中，缺陷區(qū)11為引入的線缺陷，長度為247nm，漸變區(qū)12和反射鏡區(qū)13上設(shè)置垂直貫穿納米線腔的漸變的圓柱形氣孔7，反射鏡區(qū)氣孔與ー維光子晶體的格點(diǎn)對應(yīng)設(shè)置，該微腔模塊15的晶格常數(shù)為a，即相鄰兩個(gè)氣孔的中心距離為a，所述晶格常數(shù)a為370nm。納米線腔6材料折射率η范圍為2. 0-3. 8，這里優(yōu)選η為3. 4的硅半導(dǎo)體材料，該納米線腔6體積為8X0. 5X0. 33 μ m3。實(shí)施例一本實(shí)施例按照圖I所示的超小型微腔氣體傳感器結(jié)構(gòu)連接好各部件。所述光源I通過光稱合模塊設(shè)置于微腔模塊15的一端,與光稱合模塊14的進(jìn)入端對應(yīng)，光源I的具體位置無限制，只需確保其發(fā)射出的光可直接進(jìn)入光耦合模塊。光源I為LED光源，其所發(fā)射的光波長值為800nm-1600nm之間。所述的光譜探測器10設(shè)置于微腔模塊15的另一端，其具體位置不限，只需確保微腔模塊導(dǎo)出光后通過耦合連接光纖9直接進(jìn)入其內(nèi)分析；本實(shí)施例中，光譜探測器10為光譜分析儀。所述微腔模塊15的納米線腔6為基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結(jié)構(gòu)ー維光子晶體微腔，它包括缺陷區(qū)11、漸變區(qū)12和反射鏡區(qū)13 ;其中，缺陷區(qū)11為引入的線缺陷，長度為247nm，漸變區(qū)12和反射鏡區(qū)13上設(shè)置垂直貫穿納米線腔的漸變的圓柱形氣孔7，反射鏡區(qū)氣孔與ー維光子晶體的格點(diǎn)對應(yīng)設(shè)置，該微腔模塊15的晶格常數(shù)為a，即相鄰兩個(gè)氣孔的中心距離為a，所述晶格常數(shù)a為370nm。納米線腔6材料折射率η范圍為2. 0-3. 8，這里優(yōu)選η為3. 4的硅半導(dǎo)體材料，該納米線腔6體積為8 X O. 5 X O. 33 μ m3。所述氣孔7包括在該納米線腔6上呈中心對稱分布的8個(gè)漸變空氣孔和6個(gè)反射鏡區(qū)空氣孔。所述的納米線腔6上呈中心對稱分布的8個(gè)漸變空氣孔每邊4個(gè)，且空氣孔的直徑呈線性變化，從中心向兩邊依次為145nm，150nm, 175nm, 190nm,孔間距依次為300nm，320nm, 350nm ;反射鏡區(qū)空氣孔呈均勻分布，直徑為200nm，孔間距為370nm。使用時(shí)，將納米線腔6置于氣體可以流通的腔體測試盒9中，使微腔模塊15的氣孔7和腔內(nèi)充滿待測氣體后，開啟光源1，光源I發(fā)出的光通過全反射鏡2調(diào)整到垂直方向上，發(fā)出的光經(jīng)過起偏器3和透鏡4,由I禹合光纖5 I禹合進(jìn)入微腔模塊15中,光在光子晶體納米線腔6內(nèi)傳播，經(jīng)過反射鏡區(qū)13、漸變區(qū)12、缺陷區(qū)11、漸變區(qū)12和反射鏡區(qū)13，導(dǎo)出光進(jìn)入光譜探測器10即光譜分析儀；光在微腔模塊15中傳播吋，當(dāng)氣孔7中充滿折射率為η的待測氣體時(shí)，光譜分析儀可以檢測出諧振峰的波長為λ，λ與待測氣體的折射率η的值所構(gòu)成的函數(shù)關(guān)系為
權(quán)利要求
1.ー種超小型微腔氣體傳感器，其特征在于包括光源(I)、光耦合模塊(14)、耦合光纖(5)、微腔模塊(15)、耦合連接光纖(9)和光譜探測器(10);所述光耦合模塊(14)進(jìn)ー步包括全反射鏡(2)、起偏器(3)和透鏡(4);所述微腔模塊(15)進(jìn)ー步包括納米線腔(6)和腔體測試盒(8);所述光源(I)發(fā)出的光經(jīng)光耦合模塊(14)中的全反射鏡(2)反射后進(jìn)入起偏器(3)，再由透鏡(4)聚焦耦合至耦合光纖(5)后進(jìn)入微腔模塊(15)，所述耦合光纖(5)設(shè)置于透鏡(4)的后面，然后發(fā)出的光經(jīng)過微腔模塊再進(jìn)入耦合連接光纖(9)，并由放置于該微腔模塊另一端的光譜探測器(10)接收納米線腔(6)的輸出光場變化，進(jìn)而得到待測氣體的折射率大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述起偏器(3)和透鏡(4)設(shè)置于全反射鏡(2)的反射面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納米線腔(6)的腔型是基于寬度拋物線型和漸變孔徑組成的自由懸浮式結(jié)構(gòu)的ー維光子晶體微腔；所述納米線腔(6)包括缺陷區(qū)(11)，漸變區(qū)(12)和反射鏡區(qū)(13)，其上設(shè)置有氣孔(7)，納米線腔(6)由腔體測試盒(8)固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納米線腔(6)上設(shè)置的氣孔(7)為與其呈中心對稱分布的漸變區(qū)(12)空氣孔和反射鏡區(qū)(13)空氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的耦合光纖(5)和耦合連接光纖(9)均為錐形光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的光源(I)為LED光源，或激光光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的光譜探測器(10)為光譜分析儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的腔體測試盒(8)置于待測氣體中，氣體能自由地在腔體測試盒內(nèi)流通。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納米線腔(6)上的氣孔(7)對應(yīng)納米線腔(6)的晶格常數(shù)a設(shè)置；其上呈中心對稱分布的反射鏡區(qū)(13)空氣孔ー邊的空氣孔個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，且呈均勻分布，空氣孔的半徑r= i3a，其中β為系數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或9所述的超小型微腔氣體傳感器，其特征在于所述的納米線腔(6)上呈中心對稱分布的ー邊的漸變區(qū)(12)空氣孔個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，且漸變區(qū)空氣孔的半徑r從中心向兩邊呈線性增大變化，線性變化對應(yīng)的方程為r=i3an，其中β為系數(shù)，an為漸變空氣孔的兩孔中心之間的孔間距，最小的孔間距為^a1=Ci a，其中α為系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超小型微腔氣體傳感器，包括光源、光耦合模塊、微腔模塊和光譜探測器。所述光耦合模塊包括全反射鏡、起偏器、透鏡和耦合光纖；所述微腔模塊包括一維光子晶體納米腔，該一維光子晶體納米腔腔體上含有與腔體呈中心對稱分布的漸變空氣孔和反射鏡區(qū)空氣孔陣列；所述微腔結(jié)構(gòu)的缺陷態(tài)和其高斯型光子阱與增益介質(zhì)的完美匹配，使得該微腔具有高品質(zhì)因子Q和低模式體積V，從而實(shí)現(xiàn)對氣體折射率的高精度探測。本發(fā)明超小型微腔氣體傳感器檢測靈敏度可達(dá)180納米/單位折射率，其分辨率可達(dá)0.0001；且具有體積超小、低損耗的特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/41GK102680429SQ201210171878
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者馮國英, 馮琛, 周壽桓, 鮮佩 申請人:四川大學(xué)