基于二维光子晶体的多种气体传感系统及其检测方法
【专利摘要】基于二维光子晶体的多种气体传感系统，包括可调谐光源、二维光子晶体和光功率探测器；在二维光子晶体上设有三个不同的谐振腔；在上述谐振腔上方和下方设置两条平行的光子晶体波导；可调谐光源发出的光波通过光纤导入二维光子晶体导入波导后，耦合进入谐振腔，满足谐振波长的光被耦合进入导出光子晶体波导，再通过光纤导出二维光子晶体；光功率探测器位于光波导出光纤端；检测方法的步骤为：1）光导入光子晶体波导；2）输入光波耦合进入谐振腔；3）谐振波、导出波导与待测气体作用，产生共振吸收；4）输出光功率测量；本发明设计的传感单元简单，体积小巧，性能稳定可靠，探测精度高。本传感器可以同时检测多种气体的浓度。
【专利说明】
基于二维光子晶体的多种气体传感系统及其检测方法
技术领域
[0001]本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及基于二维光子晶体的多种气体传感系统及其检测方法，通过光纤、光纤可调谐激光器、光子晶体谐振腔和光子晶体波导搭建传感系统，实现甲烷、二氧化碳、硫化氢等气体的传感测量。
【背景技术】
[0002]危险环境是安全事故频发的高危地带，关于瓦斯爆炸，天然气管道爆炸，氮氧化合物、硫化物、硫化氢等有毒有害气体造成人员伤亡和重大经济损失的事故时有发生。因此快速、灵敏、有效的实时气体检测手段对防止重大事故的发生在人类的生产实践中具有非常重要的意义。在诸如煤矿巷道、天然气油气管道等高危环境中光学检测方法较其他检测方式有着独特的优势。例如:光学类传感器具有很高的检测灵敏度、较强的分辨率、灵活的色散特性、以及超大的动态频率响应范围。
[0003]目前存在的光学类检测方法中基于气体特征谱检测的方法最为成熟并被广泛应用，但是在这种检测系统中较大体积的气室限制了该类传感系统的使用。光子晶体微谐振腔由于其尺寸极其小，易于集成，谐振频率单一等特点，尤其是在光波波段，传统的光谐振腔的损耗较大，品质因素值很小。而光子晶体微腔的品质因素非常高，是用其它任何材料制作的谐振腔所无法达到的。通过在二维光子晶体中构建气室，可以将光波的“传”和“感”有效的结合在一起，光子晶体因其微结构参数灵活多变、可设计性强使得光子晶体传感器受到了国内外科研工作者的高度关注并被广泛应用于各种传感系统中。本发明着眼于将二维光子晶体应用于气体传感中，进而为高危环境中有害气体的测量解决科学和技术中的难题提供新的思路。
【发明内容】
[0004]为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于二维光子晶体的多种气体传感系统及其检测方法，只需要通过在光子晶体引入谐振腔和平行波导使得光子晶体的透射光光强变化，通过监测光强的变化确定气体浓度，探测精度高，进一步通过设计和制造多个谐振腔阵列，可以实现多种气体的测量;具有简单，体积小巧，性能稳定可靠的特点。
[0005]为实现上述目的，本发明才有的技术方案是:基于二维光子晶体的多种气体传感系统，包括一可调谐光源、二维光子晶体和光功率探测器;在二维光子晶体上设有三个不同的谐振腔;在上述谐振腔上方和下方设置两条平行的光子晶体波导；可调谐光源发出的光波通过光纤导入二维光子晶体波导，再通过光纤导出二维光子晶体;光功率探测器位于光波导出二维光子晶体的光纤端。
[0006]所述的平行的空气波导后是将完整的光子晶体中去除一排硅柱，使传播方向形成光子晶体波导。
[0007]所述的光源为调谐激光器。
[0008]所述的光功率探测器为半导体光功率探头。
[0009]利用光子晶体多种气体传感系统进行气体检测的方法，包括以下步骤:
1)光子晶体传感单元制作，具体做法是:
在二维光子晶体上制作三个谐振腔和两条平行的光子晶体波导，淀积二氧化硅一淀积娃一光刻一干法刻蚀一湿法刻蚀等步骤完成；
二维光子晶体中引入的谐振腔对原有的空间对称性产生微扰，形成不同的微腔，微腔有各自的共振频率，仅允许特定波长的光波可以透过；
2)输入光波:通过调谐激光器选定的探测波长为1.65um、1.57um、1.58um，这三个探测波长分别对应着甲烷、二氧化碳和硫化氢气体的吸收波长；
3)光波耦合:调谐激光器发出的光波通过输入光纤耦合进入到第一条平行的光子晶体波导后，一部分耦合进入到谐振腔中，另一部分光波从平行的光子晶体波导中射出，光波进入到谐振腔后形成稳定的模式，同样，谐振腔中的光波将会有一部分耦合进入到第二条空气波导中与输出光纤耦合后输出至光功率探测器；
4)输出光功率测量:当测量环境中含有不同浓度甲烷、二氧化碳、硫化氢的混合气体时，谐振腔和输出波导对混合气体中不同浓度的甲烷、二氧化碳、硫化氢气体的共振吸收的大小不同，通过测量输出光波的光功率便可以实现甲烷、二氧化碳、硫化氢气体浓度同时检测。本发明的有益效果:
本发明提出二维光子晶体实现甲烷气体检测的方法。本发明设计的传感单元非常简单，体积小巧，性能稳定可靠，只需要通过在光子晶体引入谐振腔和平行波导使得光子晶体的透射光光强变化，通过监测光强的变化确定气体浓度，探测精度高，进一步通过设计和制造多个谐振腔阵列，可以实现多种气体的测量。
[0010]本发明提出一种基于二维光子晶体谐振器、波导、可调谐激光器和光功率探测器的气体传感系统，光子晶体是由不同折射率的介质呈周期性排列的光学材料。本发明所这几的光子晶体是通过在硅基上生长出周期性排列的硅柱构成，如果在这个周期性的结构中引入缺陷(这个缺陷可以是去除一部分硅柱，也可以通过改变硅柱的大小形成)，可以使得光子晶体内部形成一个微谐振腔，该谐振腔的特定频率与待测气体的吸收频率相同。光波进入该谐振腔后仅特定频率的光波能够稳定存在，其他频率的光波均被散射到腔外，该频率的光耦合到另一侧的波导而传出。当谐振腔和导出波导中有待测气体存在时，气体分子将会对谐振腔和输出波导内传输的光波产生共振吸收，进而导致输出波功率变化，通过探测输出光功率实现气体检测;本发明通过在光子晶体中引入三个缺陷，构成三个具有特定频率的谐振腔，这三个特征频率分别与甲烷、二氧化碳、硫化氢气体的特征吸收波长相对应。
【附图说明】
[0011]图1是本发明光子晶体传感单元结构及二维光子晶体光波耦合过程示意图。
[0012]图2是本发明二维光子晶体气体系统的示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0014]本发明采用公开号为(CN103592720A)的专利文献提及的光子晶体波导制作方法，进行本发明中所设计的谐振腔和平行空气波导的制作。
[0015]制作方法为:
将SOI基片表面进行清洗，采用聚焦离子刻蚀方法在SOI基片顶层硅表面刻蚀输入-输出端连接波导，用N2干燥SOI基片后在基片表面涂上PMMA正性光刻胶;对SOI基片甩膜后将基片放在烘胶台上烘烤，完成前烘处理;将固胶后的SOI基片放在电子束下曝光，曝光图案为包含谐振腔结构和空气狭缝波导结构的二维平面图形，将曝光后的基片放在mad332溶液中显影，将谐振腔结构和空气狭缝波导结构的二维平面图形转移到PMMA正性光刻胶上，显影后采用N2干燥然后放入SF6等离子体中进行反应刻蚀，此时谐振腔和空气狭缝波导结构的二维平面图形就从PMMA正性光刻胶上转移到SOI基片顶层硅上，最后将残留的光刻胶洗去。
[0016]图1，所示为一种基于二维光子晶体的气体传感装置，包括一个调谐光源、二维光子晶体传感单元、和光功率探测器。光子晶体的晶格常数为a，作为一种优化的选择，光子晶体中每条平行的波导的宽度为0.2a，空气孔5的直径为0.46a。上述实施例的结构尺寸仅作为本发明优选方案的一部分，在实际应用中可根据具体情况进行设计和调整。窄带调谐激光光源分别发出的1.57um、l.58um和1.65um的光波，光波经导入光纤与光子晶体复合后，又经导出光纤输出至光功率探测器。当不同浓度的甲烷、二氧化碳和硫化氢混合气体进入到上述谐振腔中和输出波导时，随着气体的浓度变化，上述三个特征波长对应的透射光强也随之变化。光功率计探测的光强与气体浓度相对应，通过测量输出光波的光功率便可以实现甲烷、二氧化碳和硫化氢等气体浓度检测。
[0017]基于二维光子晶体的多种气体传感系统，包括一可调谐光源1、二维光子晶体2和光功率探测器6;在二维光子晶体上设有三个不同的谐振腔3;在上述谐振腔3上方和下方设置两条平行的空气波导后4;可调谐光源I发出的光波通过光纤7导入二维光子晶体，再通过光纤导出二维光子晶体;光功率探测器6位于光波导出二维光子晶体的光纤端。
[0018]所述的平行的空气波导后是将完整的光子晶体中去除一排硅柱5，使传播方向形成光子晶体波导。
[0019]所述的光源为调谐激光器。
[0020]所述的光功率探测器为半导体光功率探头。
[0021]可调谐光源发出的光波进入到第一条平行光子晶体波导后，将有一部分耦合进入到三个谐振腔中，另一部分光从平行光子晶体波导中射出；光波进入到谐振腔后形成各自稳定的模式；同样，谐振腔中的光波将会有一部分耦合进入到另一条光子晶体波导中输出；当上述谐振腔中含有不同浓度甲烷、二氧化碳、硫化氢的混合气体时，混合气体中不同浓度的甲烷、二氧化碳、硫化氢气体对谐振腔和输出光子晶体波导中的光波的吸收不同，通过测量输出光波的光功率便可以实现甲烷、二氧化碳、硫化氢气体浓度同时检测。
[0022]利用光子晶体多种气体传感系统进行气体检测的方法，包括以下步骤:
I)光子晶体传感单元制作，具体做法是:
在二维光子晶体上制作三个谐振腔和两条平行的空气波导，淀积二氧化硅一淀积硅一光刻一干法刻蚀一湿法刻蚀等步骤完成；(该步骤是已经公开的技术)
二维光子晶体中引入的谐振腔对原有的空间对称性产生微扰，形成不同的微腔，微腔有各自的共振频率，仅允许特定波长的光波可以透过； 2)输入光波:通过调谐激光器选定的探测波长为1.65um、1.57um、1.58um，这三个探测波长分别对应着甲烷、二氧化碳和硫化氢气体的吸收波长；
3)光波耦合:调谐激光器发出的光波通过输入光纤耦合进入到第一条平行的光子晶体波导后，一部分耦合进入到谐振腔中，另一部分光波从平行的光子晶体波导中射出，光波进入到谐振腔后形成稳定的模式，同样，谐振腔中的光波将会有一部分耦合进入到第二条空气波导中与输出光纤耦合后输出至光功率探测器；
4)输出光功率测量:谐振腔中含有不同浓度甲烷、二氧化碳、硫化氢的混合气体时，混合气体中不同浓度的甲烷、二氧化碳、硫化氢气体对谐振腔和输出波导中的光波的共振吸收不同，光波的吸收大小不同，通过测量输出光波的光功率便可以实现甲烷、二氧化碳、硫化氢气体浓度同时检测。
【主权项】
1.基于二维光子晶体的多种气体传感系统，其特征在于，包括一可调谐光源1、二维光子晶体2和光功率探测器6;在二维光子晶体上设有三个不同的谐振腔3;在上述谐振腔3上方和下方设置两条平行的空气波导后4;可调谐光源I发出的光波通过光纤7导入二维光子晶体，再通过光纤导出二维光子晶体;光功率探测器6位于光波导出二维光子晶体的光纤端。2.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体的多种气体传感系统，其特征在于，所述的平行光子晶体波导是将完整的光子晶体中去除一排硅柱5，使传播方向形成光子晶体波导。3.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体的多种气体传感系统，其特征在于，所述的光源为调谐激光器。4.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体的多种气体传感系统，其特征在于，所述的光功率探测器为半导体光功率探头。5.利用光子晶体多种气体传感系统进行气体检测的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)光子晶体传感单元制作，具体做法是: 在二维光子晶体上制作三个谐振腔和两条平行的光子晶体波导，淀积二氧化硅一淀积娃一光刻一干法刻蚀一湿法刻蚀等步骤完成； 二维光子晶体中引入的谐振腔对原有的空间对称性产生微扰，形成不同的微腔，微腔有各自的共振频率，仅允许特定波长的光波可以透过； 2)输入光波:通过调谐激光器选定的探测波长为1.65um、1.57um、1.58um，这三个探测波长分别对应着甲烷、二氧化碳和硫化氢气体的吸收波长； 3)光波耦合:调谐激光器发出的光波通过输入光纤耦合进入到第一条平行的光子晶体波导后，一部分耦合进入到谐振腔中，另一部分光波从平行的光子晶体波导中射出，光波进入到谐振腔后形成稳定的模式，同样，谐振腔中的光波将会有一部分耦合进入到第二条空气波导中与输出光纤耦合后输出至光功率探测器； 4)输出光功率测量:当测量环境中含有不同浓度甲烷、二氧化碳、硫化氢的混合气体时，谐振腔和输出波导对混合气体中不同浓度的甲烷、二氧化碳、硫化氢气体的共振吸收的大小不同，通过测量输出光波的光功率便可以实现甲烷、二氧化碳、硫化氢气体浓度同时检测。
【文档编号】G01N21/17GK105928884SQ201610273413
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】傅海威, 闫旭, 李岩, 丁继军, 刘颖刚, 刘钦鹏, 邵敏, 马成举, 文静
【申请人】西安石油大学