基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)及其檢測方法
【專利摘要】基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，包括可調(diào)諧光源、二維光子晶體和光功率探測器；在二維光子晶體上設(shè)有三個不同的諧振腔；在上述諧振腔上方和下方設(shè)置兩條平行的光子晶體波導(dǎo)；可調(diào)諧光源發(fā)出的光波通過光纖導(dǎo)入二維光子晶體導(dǎo)入波導(dǎo)后，耦合進入諧振腔，滿足諧振波長的光被耦合進入導(dǎo)出光子晶體波導(dǎo)，再通過光纖導(dǎo)出二維光子晶體；光功率探測器位于光波導(dǎo)出光纖端；檢測方法的步驟為：1）光導(dǎo)入光子晶體波導(dǎo)；2）輸入光波耦合進入諧振腔；3）諧振波、導(dǎo)出波導(dǎo)與待測氣體作用，產(chǎn)生共振吸收；4）輸出光功率測量；本發(fā)明設(shè)計的傳感單元簡單，體積小巧，性能穩(wěn)定可靠，探測精度高。本傳感器可以同時檢測多種氣體的濃度。
【專利說明】
基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)及其檢測方法，通過光纖、光纖可調(diào)諧激光器、光子晶體諧振腔和光子晶體波導(dǎo)搭建傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)甲烷、二氧化碳、硫化氫等氣體的傳感測量。
【背景技術(shù)】
[0002]危險環(huán)境是安全事故頻發(fā)的高危地帶，關(guān)于瓦斯爆炸，天然氣管道爆炸，氮氧化合物、硫化物、硫化氫等有毒有害氣體造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失的事故時有發(fā)生。因此快速、靈敏、有效的實時氣體檢測手段對防止重大事故的發(fā)生在人類的生產(chǎn)實踐中具有非常重要的意義。在諸如煤礦巷道、天然氣油氣管道等高危環(huán)境中光學(xué)檢測方法較其他檢測方式有著獨特的優(yōu)勢。例如:光學(xué)類傳感器具有很高的檢測靈敏度、較強的分辨率、靈活的色散特性、以及超大的動態(tài)頻率響應(yīng)范圍。
[0003]目前存在的光學(xué)類檢測方法中基于氣體特征譜檢測的方法最為成熟并被廣泛應(yīng)用，但是在這種檢測系統(tǒng)中較大體積的氣室限制了該類傳感系統(tǒng)的使用。光子晶體微諧振腔由于其尺寸極其小，易于集成，諧振頻率單一等特點，尤其是在光波波段，傳統(tǒng)的光諧振腔的損耗較大，品質(zhì)因素值很小。而光子晶體微腔的品質(zhì)因素非常高，是用其它任何材料制作的諧振腔所無法達到的。通過在二維光子晶體中構(gòu)建氣室，可以將光波的“傳”和“感”有效的結(jié)合在一起，光子晶體因其微結(jié)構(gòu)參數(shù)靈活多變、可設(shè)計性強使得光子晶體傳感器受到了國內(nèi)外科研工作者的高度關(guān)注并被廣泛應(yīng)用于各種傳感系統(tǒng)中。本發(fā)明著眼于將二維光子晶體應(yīng)用于氣體傳感中，進而為高危環(huán)境中有害氣體的測量解決科學(xué)和技術(shù)中的難題提供新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)及其檢測方法，只需要通過在光子晶體引入諧振腔和平行波導(dǎo)使得光子晶體的透射光光強變化，通過監(jiān)測光強的變化確定氣體濃度，探測精度高，進一步通過設(shè)計和制造多個諧振腔陣列，可以實現(xiàn)多種氣體的測量;具有簡單，體積小巧，性能穩(wěn)定可靠的特點。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明才有的技術(shù)方案是:基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，包括一可調(diào)諧光源、二維光子晶體和光功率探測器;在二維光子晶體上設(shè)有三個不同的諧振腔;在上述諧振腔上方和下方設(shè)置兩條平行的光子晶體波導(dǎo)；可調(diào)諧光源發(fā)出的光波通過光纖導(dǎo)入二維光子晶體波導(dǎo)，再通過光纖導(dǎo)出二維光子晶體;光功率探測器位于光波導(dǎo)出二維光子晶體的光纖端。
[0006]所述的平行的空氣波導(dǎo)后是將完整的光子晶體中去除一排硅柱，使傳播方向形成光子晶體波導(dǎo)。
[0007]所述的光源為調(diào)諧激光器。
[0008]所述的光功率探測器為半導(dǎo)體光功率探頭。
[0009]利用光子晶體多種氣體傳感系統(tǒng)進行氣體檢測的方法，包括以下步驟:
1)光子晶體傳感單元制作，具體做法是:
在二維光子晶體上制作三個諧振腔和兩條平行的光子晶體波導(dǎo)，淀積二氧化硅一淀積娃一光刻一干法刻蝕一濕法刻蝕等步驟完成；
二維光子晶體中引入的諧振腔對原有的空間對稱性產(chǎn)生微擾，形成不同的微腔，微腔有各自的共振頻率，僅允許特定波長的光波可以透過；
2)輸入光波:通過調(diào)諧激光器選定的探測波長為1.65um、1.57um、1.58um，這三個探測波長分別對應(yīng)著甲烷、二氧化碳和硫化氫氣體的吸收波長；
3)光波耦合:調(diào)諧激光器發(fā)出的光波通過輸入光纖耦合進入到第一條平行的光子晶體波導(dǎo)后，一部分耦合進入到諧振腔中，另一部分光波從平行的光子晶體波導(dǎo)中射出，光波進入到諧振腔后形成穩(wěn)定的模式，同樣，諧振腔中的光波將會有一部分耦合進入到第二條空氣波導(dǎo)中與輸出光纖耦合后輸出至光功率探測器；
4)輸出光功率測量:當(dāng)測量環(huán)境中含有不同濃度甲烷、二氧化碳、硫化氫的混合氣體時，諧振腔和輸出波導(dǎo)對混合氣體中不同濃度的甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體的共振吸收的大小不同，通過測量輸出光波的光功率便可以實現(xiàn)甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體濃度同時檢測。本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明提出二維光子晶體實現(xiàn)甲烷氣體檢測的方法。本發(fā)明設(shè)計的傳感單元非常簡單，體積小巧，性能穩(wěn)定可靠，只需要通過在光子晶體引入諧振腔和平行波導(dǎo)使得光子晶體的透射光光強變化，通過監(jiān)測光強的變化確定氣體濃度，探測精度高，進一步通過設(shè)計和制造多個諧振腔陣列，可以實現(xiàn)多種氣體的測量。
[0010]本發(fā)明提出一種基于二維光子晶體諧振器、波導(dǎo)、可調(diào)諧激光器和光功率探測器的氣體傳感系統(tǒng)，光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)呈周期性排列的光學(xué)材料。本發(fā)明所這幾的光子晶體是通過在硅基上生長出周期性排列的硅柱構(gòu)成，如果在這個周期性的結(jié)構(gòu)中引入缺陷(這個缺陷可以是去除一部分硅柱，也可以通過改變硅柱的大小形成)，可以使得光子晶體內(nèi)部形成一個微諧振腔，該諧振腔的特定頻率與待測氣體的吸收頻率相同。光波進入該諧振腔后僅特定頻率的光波能夠穩(wěn)定存在，其他頻率的光波均被散射到腔外，該頻率的光耦合到另一側(cè)的波導(dǎo)而傳出。當(dāng)諧振腔和導(dǎo)出波導(dǎo)中有待測氣體存在時，氣體分子將會對諧振腔和輸出波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生共振吸收，進而導(dǎo)致輸出波功率變化，通過探測輸出光功率實現(xiàn)氣體檢測;本發(fā)明通過在光子晶體中引入三個缺陷，構(gòu)成三個具有特定頻率的諧振腔，這三個特征頻率分別與甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體的特征吸收波長相對應(yīng)。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明光子晶體傳感單元結(jié)構(gòu)及二維光子晶體光波耦合過程示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明二維光子晶體氣體系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014]本發(fā)明采用公開號為(CN103592720A)的專利文獻提及的光子晶體波導(dǎo)制作方法，進行本發(fā)明中所設(shè)計的諧振腔和平行空氣波導(dǎo)的制作。
[0015]制作方法為:
將SOI基片表面進行清洗，采用聚焦離子刻蝕方法在SOI基片頂層硅表面刻蝕輸入-輸出端連接波導(dǎo)，用N2干燥SOI基片后在基片表面涂上PMMA正性光刻膠;對SOI基片甩膜后將基片放在烘膠臺上烘烤，完成前烘處理;將固膠后的SOI基片放在電子束下曝光，曝光圖案為包含諧振腔結(jié)構(gòu)和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形，將曝光后的基片放在mad332溶液中顯影，將諧振腔結(jié)構(gòu)和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形轉(zhuǎn)移到PMMA正性光刻膠上，顯影后采用N2干燥然后放入SF6等離子體中進行反應(yīng)刻蝕，此時諧振腔和空氣狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的二維平面圖形就從PMMA正性光刻膠上轉(zhuǎn)移到SOI基片頂層硅上，最后將殘留的光刻膠洗去。
[0016]圖1，所示為一種基于二維光子晶體的氣體傳感裝置，包括一個調(diào)諧光源、二維光子晶體傳感單元、和光功率探測器。光子晶體的晶格常數(shù)為a，作為一種優(yōu)化的選擇，光子晶體中每條平行的波導(dǎo)的寬度為0.2a，空氣孔5的直徑為0.46a。上述實施例的結(jié)構(gòu)尺寸僅作為本發(fā)明優(yōu)選方案的一部分，在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況進行設(shè)計和調(diào)整。窄帶調(diào)諧激光光源分別發(fā)出的1.57um、l.58um和1.65um的光波，光波經(jīng)導(dǎo)入光纖與光子晶體復(fù)合后，又經(jīng)導(dǎo)出光纖輸出至光功率探測器。當(dāng)不同濃度的甲烷、二氧化碳和硫化氫混合氣體進入到上述諧振腔中和輸出波導(dǎo)時，隨著氣體的濃度變化，上述三個特征波長對應(yīng)的透射光強也隨之變化。光功率計探測的光強與氣體濃度相對應(yīng)，通過測量輸出光波的光功率便可以實現(xiàn)甲烷、二氧化碳和硫化氫等氣體濃度檢測。
[0017]基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，包括一可調(diào)諧光源1、二維光子晶體2和光功率探測器6;在二維光子晶體上設(shè)有三個不同的諧振腔3;在上述諧振腔3上方和下方設(shè)置兩條平行的空氣波導(dǎo)后4;可調(diào)諧光源I發(fā)出的光波通過光纖7導(dǎo)入二維光子晶體，再通過光纖導(dǎo)出二維光子晶體;光功率探測器6位于光波導(dǎo)出二維光子晶體的光纖端。
[0018]所述的平行的空氣波導(dǎo)后是將完整的光子晶體中去除一排硅柱5，使傳播方向形成光子晶體波導(dǎo)。
[0019]所述的光源為調(diào)諧激光器。
[0020]所述的光功率探測器為半導(dǎo)體光功率探頭。
[0021]可調(diào)諧光源發(fā)出的光波進入到第一條平行光子晶體波導(dǎo)后，將有一部分耦合進入到三個諧振腔中，另一部分光從平行光子晶體波導(dǎo)中射出；光波進入到諧振腔后形成各自穩(wěn)定的模式；同樣，諧振腔中的光波將會有一部分耦合進入到另一條光子晶體波導(dǎo)中輸出；當(dāng)上述諧振腔中含有不同濃度甲烷、二氧化碳、硫化氫的混合氣體時，混合氣體中不同濃度的甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體對諧振腔和輸出光子晶體波導(dǎo)中的光波的吸收不同，通過測量輸出光波的光功率便可以實現(xiàn)甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體濃度同時檢測。
[0022]利用光子晶體多種氣體傳感系統(tǒng)進行氣體檢測的方法，包括以下步驟:
I)光子晶體傳感單元制作，具體做法是:
在二維光子晶體上制作三個諧振腔和兩條平行的空氣波導(dǎo)，淀積二氧化硅一淀積硅一光刻一干法刻蝕一濕法刻蝕等步驟完成；(該步驟是已經(jīng)公開的技術(shù))
二維光子晶體中引入的諧振腔對原有的空間對稱性產(chǎn)生微擾，形成不同的微腔，微腔有各自的共振頻率，僅允許特定波長的光波可以透過； 2)輸入光波:通過調(diào)諧激光器選定的探測波長為1.65um、1.57um、1.58um，這三個探測波長分別對應(yīng)著甲烷、二氧化碳和硫化氫氣體的吸收波長；
3)光波耦合:調(diào)諧激光器發(fā)出的光波通過輸入光纖耦合進入到第一條平行的光子晶體波導(dǎo)后，一部分耦合進入到諧振腔中，另一部分光波從平行的光子晶體波導(dǎo)中射出，光波進入到諧振腔后形成穩(wěn)定的模式，同樣，諧振腔中的光波將會有一部分耦合進入到第二條空氣波導(dǎo)中與輸出光纖耦合后輸出至光功率探測器；
4)輸出光功率測量:諧振腔中含有不同濃度甲烷、二氧化碳、硫化氫的混合氣體時，混合氣體中不同濃度的甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體對諧振腔和輸出波導(dǎo)中的光波的共振吸收不同，光波的吸收大小不同，通過測量輸出光波的光功率便可以實現(xiàn)甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體濃度同時檢測。
【主權(quán)項】
1.基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括一可調(diào)諧光源1、二維光子晶體2和光功率探測器6;在二維光子晶體上設(shè)有三個不同的諧振腔3;在上述諧振腔3上方和下方設(shè)置兩條平行的空氣波導(dǎo)后4;可調(diào)諧光源I發(fā)出的光波通過光纖7導(dǎo)入二維光子晶體，再通過光纖導(dǎo)出二維光子晶體;光功率探測器6位于光波導(dǎo)出二維光子晶體的光纖端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的平行光子晶體波導(dǎo)是將完整的光子晶體中去除一排硅柱5，使傳播方向形成光子晶體波導(dǎo)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光源為調(diào)諧激光器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的多種氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光功率探測器為半導(dǎo)體光功率探頭。5.利用光子晶體多種氣體傳感系統(tǒng)進行氣體檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)光子晶體傳感單元制作，具體做法是: 在二維光子晶體上制作三個諧振腔和兩條平行的光子晶體波導(dǎo)，淀積二氧化硅一淀積娃一光刻一干法刻蝕一濕法刻蝕等步驟完成； 二維光子晶體中引入的諧振腔對原有的空間對稱性產(chǎn)生微擾，形成不同的微腔，微腔有各自的共振頻率，僅允許特定波長的光波可以透過； 2)輸入光波:通過調(diào)諧激光器選定的探測波長為1.65um、1.57um、1.58um，這三個探測波長分別對應(yīng)著甲烷、二氧化碳和硫化氫氣體的吸收波長； 3)光波耦合:調(diào)諧激光器發(fā)出的光波通過輸入光纖耦合進入到第一條平行的光子晶體波導(dǎo)后，一部分耦合進入到諧振腔中，另一部分光波從平行的光子晶體波導(dǎo)中射出，光波進入到諧振腔后形成穩(wěn)定的模式，同樣，諧振腔中的光波將會有一部分耦合進入到第二條空氣波導(dǎo)中與輸出光纖耦合后輸出至光功率探測器； 4)輸出光功率測量:當(dāng)測量環(huán)境中含有不同濃度甲烷、二氧化碳、硫化氫的混合氣體時，諧振腔和輸出波導(dǎo)對混合氣體中不同濃度的甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體的共振吸收的大小不同，通過測量輸出光波的光功率便可以實現(xiàn)甲烷、二氧化碳、硫化氫氣體濃度同時檢測。
【文檔編號】G01N21/17GK105928884SQ201610273413
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】傅海威, 閆旭, 李巖, 丁繼軍, 劉穎剛, 劉欽鵬, 邵敏, 馬成舉, 文靜
【申請人】西安石油大學(xué)