一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法。由光源1、传感单元2、信号处理单元3和计算机系统4组成。其特点是传感单元由光子晶体微腔组成，将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔中，当样品的折射率变化时，通过观测光子晶体微腔的透射峰移动来实现折射率的测量。而在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1.9的液体，使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，可增加光与待测样品的接触作用，使折射率测量的灵敏度提高了6.6倍。最后，利用马克-增德干涉仪波长检测技术与电荷耦合元件（CCD）光电探测技术，将透射峰的移动转化为CCD上干涉条纹的移动，实现了灵敏度为412.5nm/RIU，分辨力为3.4×10-6RIU的折射率测量。
【专利说明】-种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，属于光电检测技术 领域。
【背景技术】
[0002] 折射率是材料的固有性质，通过测量折射率大小可以分析物质的光学性能以及 密度、浓度等物理性质。因此，对折射率测量的研究受到了人们广泛的关注（文献1. Y. Ma，X. G. Qiao, T. Guo, et al. Mach-Zehnder interferometer based on sandwich fiber structure for refractive index measurement [J]. IEEE Sensors Journal, 2012，12(6): 2081-2085.文献2.周赢武.基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究 [J].光子学报，2012,41 (7) :841-844.)。光纤折射率传感器因其独特的抗电磁干扰、抗腐 蚀、灵敏度高等优点，一直是近几年生物和化学领域研究的热点，目前迫切需要解决的问题 是如何实现传感器件的微型化和集成化。尺寸在光波长量级的微型光子晶体传感器是迄 今为止所提出的传感面积最小的器件(文献3. R. V. Nair, R. Vijaya. Photonic crystal sensors: an overview, progress in quantum electronics[J], 2010, 34(3): 89-134·)。 用光子晶体传感器来实现生物和化学样品折射率的测量，具有体积小、结构紧凑、所需测量 样本少(约1/L)、便于实现光集成化等优点。柯林佟等人提出通过测量二维光子晶体波导 透射带边沿的偏移量来测量折射率大小，但是需要改变空气孔的大小和位置，这会增加光 子晶体制备的复杂度，而且其灵敏度仅为222nm/RIU(文献4.柯林佟，陈卫业，张洋，等.基 于光子晶体波导的折射率传感器的灵敏度优化设计[J].激光与光电子学进展，2014,51: 052304-1-052304-6. )。E. Chow等人提出用二维光子晶体微腔结构作为生化折射率传感 器，传感大小在微米量级，其折射率的分辨力可以达到0.002RIU。但是，该方法的光透过 率很低，且其灵敏度仅为 150nm/RIU 左右（文献 5· E. Chow, A. Grot, L. W. Mirkarimi, et al. Ultracompact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity [J]. Optics Letters, 2004, 29(10): 1093-1095.)〇
[0003] 本发明提出在光子晶体微腔两侧引入慢光以提高其折射率测量灵敏度的思想，通 过在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1. 9的液体，实现了群折射率为14. 5、带宽 为52nm的宽带慢光。对光子晶体微腔的折射率传感特性进行分析可得，慢光引入后，折射 率测量的灵敏度可提高6. 6倍，最终实现了分辨力为3. 4X ΚΓ6 RIU的折射率传感器。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题 本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种高灵敏度、微型化、易于集成的 折射率测量方法。
[0005] (二）技术方案 为了达到上述目的，本发明提出一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，包 括光源1、传感单元2、信号处理单元3和计算机系统4,所述的传感单元2是一个光子晶 体微腔，其特征在于：测量时，将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔 中，当填充样品的折射率变化时，光子晶体微腔的透射峰将会发生移动，通过监测透射峰的 移动即可计算出填充样品的折射率大小；所述的信号处理单元3包括一个耦合器31、一个 马克-增德干涉仪32、一个聚焦透镜33、以及一个电荷耦合元件（CXD)光电探测器34,光 子晶体微腔的透射光经过耦合器后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的两臂后 在输出端发生干涉，并且由聚焦透镜将干涉条纹聚焦到C⑶光敏面上，调节聚焦透镜，使光 纤出射端面距透镜的距离恰好为透镜的焦距，那么透镜投射到CCD上的像与原干涉条纹完 全相同，最后，干涉条纹由C⑶接收并经串口传送至与其相连的计算机系统4进行数据的采 集、处理及显示。
[0006] 上述方案中，所述的光子晶体微腔结构是先在普通的硅基底材料上刻蚀等边三角 形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿X方向的空气孔去掉形成一 个光子晶体线缺陷波导，最后在波导中心引入两对空气孔(每对包括两个空气孔，共4个空 气孔）对称放置在波导中间，两对空气孔间隔距离为2a (其中a为光子晶体的晶格常数，即 相邻空气孔之间的间距，本发明设计a=360nm)，从而形成一个单排孔结构的微腔，待测生化 样品将填充在这四个空气孔中，空气孔的半径为r=0. 3a，硅基底厚度为A=0. 7a，有效折射 率为 /7=2. 87。
[0007] 上述方案中，所述的慢光是在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为/?f=l. 9的 液体，实现群折射率为14. 5、带宽为52nm的慢光，这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光 的形式传输，增加光与待测生物样品的接触作用，进而提高折射率测量的灵敏度。
[0008] 上述方案中，所述的光源为ASE宽谱光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功 率为100mW ;所述的耦合器的工作波长为1550nm，分光比为50:50 ;所述的马克-增德干涉 仪的两臂均为普通的单模光纤，两臂臂长差为lm ;所述的聚焦透镜的焦距为50mm ;所述的 CCD光电探测器的最小可探测条纹移动量为1. 4 μ m。
[0009] (三）有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果： 1)本发明提出的这种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，只需要将待测样 品填充在4个空气孔中，传感面积仅为0. 1465 μ m2,而检测分辨力可达3. 4 X ΚΓ6 RIU，实现 了微型化、高灵敏度的折射率测量。
[0010] 2)传感单元采用绝缘体上娃（Silicon-on-insulator, SOI)材料制备的，与传统 的CMOS平面工艺具有良好的兼容性，并且易于集成。
[0011] 3)光子晶体微腔的制备过程中，并不需要改变光子晶体的结构参数，大大降低了 制备的难度。
[0012] 4)信号处理采用的是马克-增德干涉仪波长检测技术与CCD光电探测技术，具有 结构简单、价格低、灵敏度高等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明提供的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量系统示意图； 图2为本发明提供的光子晶体微腔结构示意图； 图3为液体填充前后，光子晶体波导的群折射率曲线； 图4为（a)慢光引入前光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系；(b)慢光引 入后光子晶体微腔的输出谱与填充折射率之间的关系； 图5为慢光引入前后，系统输出与折射率之间的关系。
【具体实施方式】
[0014] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。
[0015] 如图1所示为本发明提出的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量系统示意图。 宽谱光源发出的光经光子晶体微腔后，被一个50:50的耦合器平均分成两束，这两束光分 别经过马克-增德干涉仪的两臂后在输出端发生干涉，并且由聚焦透镜将干涉条纹聚焦到 CCD光敏面上，调节聚焦透镜，使光纤出射端面距透镜的距离恰好为透镜的焦距，那么透镜 投射到C⑶上的像与原干涉条纹完全相同，最后，干涉条纹由C⑶接收并经串口传送至与其 相连的计算机系统进行数据的采集、处理及显示。
[0016] 如图2所示为本发明提出的光子晶体微腔结构示意图。它是先在普通的硅基底 上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成二维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿X方向的空 气孔去掉形成一个光子晶体线缺陷波导，最后在波导中心引入两对空气孔(每对包括两个 空气孔，共4个空气孔）对称放置在波导中央，两对空气孔间隔距离为2a (其中a为光子晶 体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间距，本发明设计a=360nm)，从而形成一个单排孔结构 的微腔，这4个空气孔在图2中用数字2标记。空气孔的半径为r=0. 3a，背景介质硅厚度 为A=0. 7nm，有效折射率为/7=2. 87。为了提高光子晶体微腔的折射率测量灵敏度，本发明设 计在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为/?f=l. 9的液体(这两排空气孔在图2中用数 字1标记)，这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，增加光与待测生物样品的 接触作用。图3为利用麻省理工学院的MPB软件仿真得到的液体填充前后光子晶体波导的 群折射率曲线，可以发现，填充后的光子晶体波导慢光带宽得到了极大的提高，实现了群折 射率为14. 5、带宽为52nm的慢光。而且，当微腔中填充的待测样品折射率发生变化而引起 光子晶体微腔中的传输光波长发生变化（52nm范围内）时，传输光的群折射率均可恒定在 14. 5,即均以相同的慢光形式传输，这样可以保证光子晶体微腔的折射率测量灵敏度恒定 不变。
[0017] 图4为利用麻省理工学院的MEEP软件仿真得到的慢光引入前光子晶体微腔的输 出谱与填充折射率之间的关系（图4(a))，以及慢光引入后光子晶体微腔的输出谱与填充折 射率之间的关系（图4(b))。由此可以得到，本发明所提出的光子晶体微腔折射率测量灵敏 度为：慢光引入前，66. 3nm/RIU ;慢光引入后，437. 5nm/RIU。也就是说，慢光引入后，光子晶 体微腔的折射率测量灵敏度提高了 6. 6倍。
[0018] 根据以上的分析，为了得到填充在微腔中的待测样品的折射率，需要解调出光子 晶体微腔的输出谱波长移动量。传统的输出光信号解调装置是光谱分析仪，它具有较高的 精度和灵敏度，但它价格昂贵，体积较大，使用条件苛刻，不适合工程现场使用，所以本发明 提出用马克-增德干涉仪波长检测技术结合CCD光电探测技术，实现对光子晶体微腔输出 光信号的解调。
[0019] 根据马克-增德干涉仪理论，干涉仪两臂的相位差为：
【权利要求】
1. 一种基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，包括光源1、传感单元2、信号处 理单元3和计算机系统4,所述的传感单元2是一个光子晶体微腔，其特征在于：测量时， 将待测生化样品填充在光子晶体微腔中间一排的四个空气孔中，当填充样品的折射率变化 时，光子晶体微腔的透射峰将会发生移动，通过监测透射峰的移动即可计算出填充样品的 折射率大小；所述的信号处理单元3包括一个耦合器31、一个马克-增德干涉仪32、一个 聚焦透镜33、以及一个电荷耦合元件（CCD)光电探测器34,光子晶体微腔的透射光经过耦 合器后被均匀地分为两束，这两束光分别经过干涉仪的两臂后在输出端发生干涉，并且由 聚焦透镜将干涉条纹聚焦到CCD光敏面上，调节聚焦透镜，使光纤出射端面距透镜的距离 恰好为透镜的焦距，那么透镜投射到C⑶上的像与原干涉条纹完全相同，最后，干涉条纹由 CCD接收并经串口传送至与其相连的计算机系统4进行数据的采集、处理及显示。
2. 如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于：所 述的光子晶体微腔结构是先在普通的硅基底材料上刻蚀等边三角形排列的空气孔形成二 维三角晶格光子晶体，再将中间一排沿X方向的空气孔去掉形成一个光子晶体线缺陷波 导，最后在波导中心引入两对空气孔(每对包括两个空气孔，共4个空气孔）对称放置在波 导中间，两对空气孔间隔距离为2a(其中a为光子晶体的晶格常数，即相邻空气孔之间的间 距，本发明设计a=360nm)，从而形成一个单排孔结构的微腔，待测生化样品将填充在这四个 空气孔中，空气孔的半径为r=0. 3a，硅基底厚度为A=0. 7a，基底有效折射率为/7=2. 87。
3. 如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于： 所述的慢光是在最靠近微腔的两排空气孔中填充折射率为1. 9的液体，实现群折射率为 14. 5、带宽为52nm的慢光，这样可以使光在光子晶体微腔中以慢光的形式传输，增加光与 待测生化样品的接触作用，进而提高折射率测量的灵敏度。
4. 如权利要求1所述的基于慢光和光子晶体微腔的折射率测量方法，其特征在于：所 述的光源为ASE宽谱光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功率为lOOmW ;所述的耦合 器的工作波长为1550nm，分光比为50:50 ;所述的马克-增德干涉仪的两臂均为普通的单模 光纤，两臂臂长差为lm ;所述的聚焦透镜的焦距为50mm ;所述的CCD光电探测器的最小可 探测条纹移动量为1. 4 μ m。
【文档编号】G01N21/45GK104062267SQ201410294057
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】赵勇, 张亚男, 胡海峰 申请人:东北大学