专利名称：超小型微腔气体传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体传感器，特别涉及一种基于宽度抛物线型和渐变孔径的一维光子晶体超小型微腔的气体传感器，属于气体传感器领域。
背景技术：
近年来，气体传感器在环境质量检测、工业生产过程和卫生安全等领域的应用越来越广泛。气体传感器作为检测气体参数的关键部件，其检测的原理主要是通过感知环境中某种气体，将与该种气体种类和浓度有关的信息转换成相关的物理参量，从而进行气体的检测、监控、分析、报警等。 气体的纯度、含水量等都与气体的介电常数有关，而气体的介电常数又与其折射率有关，因此，只要能够精确地测量出气体的折射率就可以实现对气体的纯度、含水量等参数的精确测量。目前，使用气体传感器测量气体的折射率，大多是通过干涉法来实现，主要是利用迈克尔逊干涉法和马赫一曾德尔干涉法来实现气体折射率的测量。但利用这两种测量方法的气体传感器均存在体积大、不易集成、不能自动检测和远程传输的局限。当今，气体传感器引起了测量气体折射率或者传输变化的广泛关注。而在气体传感器中使用引入缺陷形成的光子晶体腔作为气体传感器的窄带滤波器件是很有优势的，由于光子晶体腔的高品质因子保证了窄带滤波器输出谱线的窄频宽，所以当外界环境条件改变即待测气体的折射率改变时，窄带滤波器所对应的腔长也会变化。由于其频宽超窄，气体传感器能探测到的相应谱线也变得较为容易，这为设计气体传感器提供了新的平台。由于光子晶体微腔结构具有较高的微腔谐振品质因素和较小的模式体积，因而它已经被用于气体传感器领域，但是，目前大部分所用于气体传感器的光子晶体微腔都是基于平板光子晶体腔。E. Chow等人提出一种基于二维光子晶体微腔结构的气体传感器，该气体传感器的光子晶体微腔模块为一个三角晶格光子晶体，在该光子晶体微腔模块上设置一系列的气孔，与位于该光子晶体模块上的第一波导和第二波导形成一个“申”字型的结构。该气体传感器用于探测气体折射率的变化，但是，光能在上述气体传感器的光子晶体模块中透过率很低且这种传感器所探测到的折射率变化只有O. 002。因此，提出一种具有高的灵敏度和分辨率的气体传感器，具有重要的意义，也是本实用新型的任务所在。
发明内容本实用新型的目的就是在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，而设计一种新型的基于一维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。该气体传感器具有测量准确，高灵敏度和低损耗的特点。本实用新型的基本设计思想是设计一种基于宽度抛物线型和渐变孔径的一维光子晶体纳米线腔的超小型微腔气体传感器。它包括光源、光耦合模块、微腔模块和光谱探测器；该光耦合模块进一步包括全反射镜，在全反射镜的反射面设置起偏器，透镜，还在起偏器的透射面，透镜的前面或后面设置耦合光纤；微腔模块进一步包括纳米线腔，设置于该纳米线腔上的气孔和固定该纳米线腔的腔体测试盒；所述光源发出的光经全反射镜反射后进入起偏器，由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块。由于所述光子晶体纳米线腔的光学模式的紧约束性对外界环境变化即气体折射率变化具有高灵敏度；当环境中所要测量的气体折射率对比度提高时，纳米线腔的光子带隙加宽且谐振波长发生偏移，利用光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。本实用新型提出的一种超小型微腔气体传感器，其特征在于包括光源、光耦合模块、耦合光纤、微腔模块、耦合连接光纤和光谱探测器；所述光耦合模块进一步包括全反射镜、起偏器和透镜；所述微腔模块进一步包括纳米线腔和腔体测试盒；所述光源发出的光经光耦合模块中的全反射镜反射后进入起偏器，再由透镜聚焦耦合至耦合光纤后进入微腔模块，所述耦合光纤设置于透镜的后面，然后发出的光经过微腔模块再进入耦合连接光纤，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器接收纳米线腔的输出光场变化，进而得到待测 气体的折射率大小。上述技术方案中，所述起偏器和透镜设置于全反射镜的反射面。上述技术方案中，所述的纳米线腔的腔型是基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构的一维光子晶体微腔；所述纳米线腔包括缺陷区，渐变区和反射镜区，其上设置有气孔，纳米线腔由腔体测试盒固定。上述技术方案中，所述的纳米线腔上设置的气孔为与其呈中心对称分布的渐变区空气孔和反射镜区空气孔。上述技术方案中，所述的耦合光纤和耦合连接光纤用作光进入和连接的部分，其形状均为锥形光纤。上述技术方案中，所述的光源为LED光源，或激光光源。上述技术方案中，所述的光谱探测器为光谱分析仪。上述技术方案中，所述的腔体测试盒置于待测气体中，气体能自由地在腔体测试盒内流通。上述技术方案中，所述的纳米线腔上的气孔对应纳米线腔的晶格常数a设置；其上呈中心对称分布的反射镜区空气孔一边的空气孔个数不少于3个，且呈均匀分布，空气孔的半径满足r= Pa，其中β为系数。上述技术方案中，所述的纳米线腔上呈中心对称分布的一边的渐变区空气孔个数不少于3个，且渐变区空气孔的半径r从中心向两边呈线性增大变化，线性变化对应的线性方程为r=i3an，其中β为系数，an为渐变空气孔的两孔中心之间的孔间距，最小的孔间距为a1； B1=Ct a，其中α为系数。本实用新型所述的超小型微腔气体传感器由于其光子晶体纳米线腔的光学模式的紧约束性对环境变化具有高灵敏度，当折射率对比度提高，纳米线腔光子带隙加宽且谐振波长发生偏移。谐振波长与气体折射率变化的关系如下(Λ λ+ λ )/λ =l+(r/neff) Λη (I)其中λ是波长值，(Δ λ + λ)是谐振波长的扰动值，neff是在纳米线中有效折射率未受扰动值，Γ是重叠在气体上的模功率，微小的Vn变化也会导致Λ λ变化。[0021]假设响应因子R被用来描述谐振波长λ或者频率与气体折射率的关系ΛχΔ = Δ^=Δ (2)
η λ ω其中，Λ η、Λ λ和Λ ω分别 表示折射率变化，波长偏移和频率偏移；R表示超小型纳腔气体传感器的灵敏度。微腔的Q因子等于λ/Λ λ '，其中Λ λ '是半高全宽(FWHM);所以微腔Q因子越高，波长分辨率越高，相应地，气体折射率的精确度也越高。由于所述的超小型微腔气体传感器的微腔结构的缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现所述传感器对气体折射率的高精度探测。本实用新型与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果I、本实用新型所公开的超小型微腔气体传感器，由于其基于宽度抛物线型和渐变孔径的一维光子晶体微腔的结构缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现气体传感器对气体折射率的高精度探测。整个技术方案中没有提到光子晶体微腔结构2、本实用新型所公开的超小型微腔气体传感器，由于其光子晶体微腔是一维腔体，同二维光子晶体平板腔相比，实现了相同量级Q值的情况下，尺寸更小，功耗更低。3、本实用新型所公开的超小型微腔气体传感器，其结构简单、性能稳定、且具有较高的灵敏度和分辨率；其灵敏度可以达到180纳米/单位折射率，分辨率可以达到O. 0001。
图I是本实用新型超小型微腔气体传感器的整体结构示意图；图2是本实用新型超小型微腔气体传感器的光子晶体微腔结构示意图；图3是本实用新型实施例一中不同折射率的待测气体的谐振光谱示意图；图4是本实用新型实施例一中光子晶体微腔的谐振波长随待测气体折射率的变化曲线。图中，I-光源，2-全反射镜，3-起偏器，4-透镜，5-耦合光纤，6_纳米线腔，7_气 L 8-腔体测试盒，9-耦合连接光纤，10-光谱探测器，11-缺陷区，12-渐变区，13-反射镜区，14-光稱合模块,15-微腔模块。
具体实施方式
以下将结合附图并用实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不意味着是对本实用新型所保护内容的任何限定。图I中，本实用新型的超小型微腔气体传感器，包括光源I、光耦合模块14、耦合光纤5、微腔模块15、耦合连接光纤9和光谱探测器10 ;所述光耦合模块14进一步包括全反射镜2、起偏器3和透镜4 ;所述微腔模块15进一步包括纳米线腔6和腔体测试盒8 ;所述光源I发出的光经光耦合模块14中的全反射镜2反射后进入起偏器3，再由透镜4聚焦耦合至耦合光纤5后进入微腔模块15，所述耦合光纤5设置于透镜4的后面，然后发出的光经过微腔模块15再进入耦合连接光纤9，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器10接收纳米线腔6的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。[0035]图2中，所述微腔模块15的纳米线腔6为基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构一维光子晶体微腔，它包括缺陷区11、渐变区12和反射镜区13 ;其中，缺陷区11为引入的线缺陷，长度为247nm，渐变区12和反射镜区13上设置垂直贯穿纳米线腔的渐变的圆柱形气孔7，反射镜区气孔与一维光子晶体的格点对应设置，该微腔模块15的晶格常数为a，即相邻两个气孔的中心距离为a，所述晶格常数a为370nm。纳米线腔6材料折射率η范围为2. 0-3. 8，这里优选η为3. 4的硅半导体材料，该纳米线腔6体积为8X0. 5X0. 33 μ m3。实施例一本实施例按照图I所示的超小型微腔气体传感器结构连接好各部件。所述光源I通过光稱合模块设置于微腔模块15的一端,与光稱合模块14的进入端对应，光源I的具体位置无限制，只需确保其发射出的光可直接进入光耦合模块。光源I·为LED光源，其所发射的光波长值为800nm-1600nm之间。·所述的光谱探测器10设置于微腔模块15的另一端，其具体位置不限，只需确保微腔模块导出光后通过耦合连接光纤9直接进入其内分析；本实施例中，光谱探测器10为光谱分析仪。所述微腔模块15的纳米线腔6为基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构一维光子晶体微腔，它包括缺陷区11、渐变区12和反射镜区13 ;其中，缺陷区11为引入的线缺陷，长度为247nm，渐变区12和反射镜区13上设置垂直贯穿纳米线腔的渐变的圆柱形气孔7，反射镜区气孔与一维光子晶体的格点对应设置，该微腔模块15的晶格常数为a，即相邻两个气孔的中心距离为a，所述晶格常数a为370nm。纳米线腔6材料折射率η范围为2. 0-3. 8，这里优选η为3. 4的硅半导体材料，该纳米线腔6体积为8 X O. 5 X O. 33 μ m3。所述气孔7包括在该纳米线腔6上呈中心对称分布的8个渐变空气孔和6个反射镜区空气孔。所述的纳米线腔6上呈中心对称分布的8个渐变空气孔每边4个，且空气孔的直径呈线性变化，从中心向两边依次为145nm，150nm, 175nm, 190nm,孔间距依次为300nm，320nm, 350nm ;反射镜区空气孔呈均匀分布，直径为200nm，孔间距为370nm。使用时，将纳米线腔6置于气体可以流通的腔体测试盒9中，使微腔模块15的气孔7和腔内充满待测气体后，开启光源1，光源I发出的光通过全反射镜2调整到垂直方向上，发出的光经过起偏器3和透镜4,由I禹合光纤5 I禹合进入微腔模块15中,光在光子晶体纳米线腔6内传播，经过反射镜区13、渐变区12、缺陷区11、渐变区12和反射镜区13，导出光进入光谱探测器10即光谱分析仪；光在微腔模块15中传播时，当气孔7中充满折射率为η的待测气体时，光谱分析仪可以检测出谐振峰的波长为λ，λ与待测气体的折射率η的值所构成的函数关系为
权利要求1.一种超小型微腔气体传感器，其特征在于包括光源(I)、光耦合模块(14)、耦合光纤(5)、微腔模块(15)、耦合连接光纤(9)和光谱探测器(10);所述光耦合模块(14)进一步包括全反射镜(2)、起偏器(3)和透镜(4);所述微腔模块(15)进一步包括纳米线腔(6)和腔体测试盒(8);所述光源(I)发出的光经光耦合模块(14)中的全反射镜(2)反射后进入起偏器(3)，再由透镜(4)聚焦耦合至耦合光纤(5)后进入微腔模块(15)，所述耦合光纤(5)设置于透镜(4)的后面，然后发出的光经过微腔模块再进入耦合连接光纤(9)，并由放置于该微腔模块另一端的光谱探测器(10)接收纳米线腔(6)的输出光场变化，进而得到待测气体的折射率大小。
2.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述起偏器(3)和透镜(4)设置于全反射镜(2)的反射面。
3.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳米线腔(6)的腔型是基于宽度抛物线型和渐变孔径组成的自由悬浮式结构的一维光子晶体微腔；所述纳米线腔(6)包括缺陷区(11)，渐变区(12)和反射镜区(13)，其上设置有气孔(7)，纳米线腔(6)由腔体测试盒(8)固定。
4.根据权利要求I或3所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳米线腔(6)上设置的气孔(7)为与其呈中心对称分布的渐变区(12)空气孔和反射镜区(13)空气孔。
5.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的耦合光纤(5)和耦合连接光纤(9)均为锥形光纤。
6.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的光源(I)为LED光源，或激光光源。
7.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的光谱探测器(10)为光谱分析仪。
8.根据权利要求I所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的腔体测试盒(8)置于待测气体中，气体能自由地在腔体测试盒内流通。
9.根据权利要求4所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳米线腔(6)上的气孔(7)对应纳米线腔(6)的晶格常数a设置；其上呈中心对称分布的反射镜区(13)空气孔一边的空气孔个数不少于3个，且呈均匀分布，空气孔的半径r= i3a，其中β为系数。
10.根据权利要求4或9所述的超小型微腔气体传感器，其特征在于所述的纳米线腔(6)上呈中心对称分布的一边的渐变区(12)空气孔个数不少于3个，且渐变区空气孔的半径r从中心向两边呈线性增大变化，线性变化对应的方程为r=i3an，其中β为系数，an为渐变空气孔的两孔中心之间的孔间距，最小的孔间距为^a1=Ci a，其中α为系数。
专利摘要本实用新型涉及一种超小型微腔气体传感器，包括光源、光耦合模块、微腔模块和光谱探测器。所述光耦合模块包括全反射镜、起偏器、透镜和耦合光纤；所述微腔模块包括一维光子晶体纳米腔，该一维光子晶体纳米腔腔体上含有与腔体呈中心对称分布的渐变空气孔和反射镜区空气孔阵列；所述微腔结构的缺陷态和其高斯型光子阱与增益介质的完美匹配，使得该微腔具有高品质因子Q和低模式体积V，从而实现对气体折射率的高精度探测。本实用新型超小型微腔气体传感器检测灵敏度可达180纳米/单位折射率，其分辨率可达0.0001；且具有体积超小、低损耗的特点。
文档编号G01N21/41GK202614675SQ20122024811
公开日2012年12月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者冯国英, 冯琛, 周寿桓, 鲜佩 申请人:四川大学