CN101458210B - 折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种折射率传感器。所述折射率传感器包括光源、光子晶体微腔结构及感测器，所述光子晶体微腔结构包括晶体层及大量形成于该晶体层并规则排列的孔，其中一个孔的直径与其他孔的直径不同从而构成一谐振腔，该谐振腔相对的两侧的晶体层具有线缺陷，该线缺陷分别构成第一波导与第二波导，该第一波导及第二波导与该谐振腔之间分别具有数个孔，所述光源设置于该第一波导之入射端，所述感测器设置于该第二波导之出射端。所述的传感器中，第一波导及第二波导的设置使得光线的透过率可以提升到40％到70％，而且传感器具有较高的测量精度。

Description

折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种折射率敏感的传感器。
背景技术
由于具有独特的光子禁带(Photonic Band Gap)效应，光子晶体(PhotonicCrystals)为设计微型折射率敏感的传感器件提供了新的平台。近几年，基于光子晶体设计的微型折射率敏感的传感器相继问世，由于这种传感器有较高的微腔谐振品质因素(high-Q microcavity)和很小的传感面积(每10μm2的传感面积只要求被测量的样本为1fL)，因此该种传感器可用于痕量样品的测量。
请参阅J.Topol’ancik等人的“Fluid detection with photonic crystal-basedmultichannel waveguides”(Applied Physics Letters.82，1143-1145(2003))。J.Topol’ancik等人设计的光子晶体波导结构的传感器可以探测到的折射率变化为0.2，此种传感器对折射率的分辨率并不高。
E.Chow等人在“ultracompact biochemical sensor built with two-dimensionalphotonic crystal microcavity”(Optic Letters 29，1093-1095(2004)(中提出了另一种传感器结构，其采用二维光子晶体微腔结构进行折射率的测量，折射率的测量范围可以达到1.0到1.5。然而此种传感器中光线的透过率很低，并且其测量精度不够高，只能精确到0.002；灵敏度也不高，只能达到200nm/RIU，其中RIU指单位折射率(Refractive Index Unit)。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有更高透光率及测量精度的折射率传感器。
一种折射率传感器，其包括光源、光子晶体微腔结构及感测器，所述光子晶体微腔结构包括晶体层及大量形成于该晶体层并规则排列的孔，其中一个孔的直径与其他孔的直径不同从而构成一谐振腔，该谐振腔相对的两侧具有线缺陷，该线缺陷分别构成第一波导与第二波导，该第一波导及第二波导与该谐振腔之间分别具有数个孔，所述光源设置于该第一波导之入射端，所述感测器设置于该第二波导之出射端。
所述的折射率传感器中，第一波导及第二波导的设置使得光线的透过率可以提升到40％到70％，而且传感器具有较高的测量精度，可以检测折射率0.001的变化。折射率的范围较大，可从1.0适用到1.6。传感器的灵敏度达到330nm/RIU。
附图说明
图1是本技术方案第一实施例的折射率传感器的光子晶体微腔结构示意图。
图2是图1沿II-II线的剖面示意图。
图3是本技术方案实施例提供的折射率传感器示意图。
图4是不同折射率的样品谐振光谱示意图。
图5是谐振波长的变化与折射率之间的关系曲线图。
具体实施方式
参阅图1及图2，第一实施例的光子晶体微腔结构100包括基底104及晶体层10，晶体层10形成于基底104上。晶体层10的晶格常数为a，晶体层10的厚度为0.4a～0.7a，本实施例优选为0.6a。晶体层10的材质可选用Si、GaAs或GaAlAs。本实施例当中，晶体层10为GaAlAs，其晶格常数为440纳米。晶体层10一般通过磊晶生长形成于基体104上，因此基体104适于磊晶生长晶体层10即可，例如对于GaAs或GaAlAs材质的晶体层10，可选用GaAs、GaN作为基底104。对于Si晶体层，可选用SiO2作为基底104。
晶体层10内形成有大量孔102。孔102可以采用电子束微影或反应性离子束蚀刻形成。本实施中，孔102呈圆柱形，当然孔102还可为其他形状。孔102排列成m行，依次记为第1、2、3、...、m行，每行具有n个孔102，依次记为第1、2、3、...、n个孔。其中m与n为14到18之间的整数。本实施例中，孔102排列成17行，每行具有17个孔102。孔102的直径为0.3a～0.5a，本实施例当中，孔102的直径为0.36a。
每行孔102的中心连线相互平行，同一行内的孔102为等间距排列，每相邻的两行孔102之间交错排列，从而所有的孔102构成三角形排列。以第1行第1、2个孔102与第2行第1个孔102为例，第2行的第1个孔102位于第1行第1、2个孔102连线的中线上，从而第1行第1、2个孔102与第2行第1个孔102构成一三角形，优选的，此三角形为等边三角形。
第i行第j个孔102的直径与其他孔102的直径不同从而构成一谐振腔12，其中1＜i＜m，1＜j＜n。优选的，i为最靠近m/2的整数，j为最靠近n/2的整数。谐振腔12的直径可为0.05a到0.6a。本实施例当中，其为0.55a。
第i行的孔102中，谐振腔12两侧各保留有k个孔102，1＜k＜6，而其余的孔102被去除，或者说此处并未形成有孔102，从而在谐振腔12两侧的晶体层10内分别形成两个线缺陷，两个线缺陷分别构成第一波导14与第二波导16。第一波导14及第二波导16均与谐振腔12之间隔有k个孔102，本实施例中k＝3。孔102的直径以及谐振腔12的直径发生改变时，谐振腔12的谐振波长会随之发生改变。
参阅图3，本技术方案实施例的折射率传感器200包括光源20、光子晶体微腔结构100及感测器22。光源20靠近第一波导14的入射端142设置，感测器22靠近第二波导16的出射端162设置。
光源20可为发光二极管或者二极管激光器。光源20所发射出的光线的波长处于谐振腔12的谐振波长之间即可。例如根据上述实施例的光子晶体微腔结构100，可选用波长在1800纳米到1830纳米之间的发光二极管或者二极管激光器。
感测器22用于感测从光源20发出并经过第一波导14、谐振腔12及第二波导16后的光。由于光源20的波长处于红外波段，因此感测器22须能感测红外波段的光波长，例如感测器22可选用氧化铅-硫化铅光电阴极摄像管或者InGaAs红外探测器。感测器22可与外部的光谱装置相连，从而可以在外部的光谱装置上观察检测结果。
本实施例的折射率传感器200中，光源20发出的光线经过光子晶体微腔结构100的谐振作用后到达感测器22。而光线的波长在谐振的过程中会发生的变化。光线波长的变化幅度与孔102中介质的折射率相关。
参阅图4，其为采用具有不同折射率的样品注入到孔102中进行测试的结果示意图。如，将具有不同折射率的硅树脂注射到光子晶体微腔结构100的表面，硅树脂的厚度为200微米到500微米之间。硅树脂会渗透到孔102及谐振腔12中。硅树脂的折射率从1.446变化到1.450，变化增量为0.001。每个样品测量完成后，将传感器200放到丙酮及异丙醇中漂洗并烘干，然后进行下一次的测试。从图4中可以看到，随被测试样品折射率的增加，谐振波长的的变化量也增加。参阅图5，测量折射率范围在1.0到1.6之间的样品，将测量试样品的折射率n与谐振波长的漂移量Δλ绘于同一直角座标系中，本实施例中测量采用的样品为：折射率接近于1的空气、折射率为1.1的液体二氧化碳、折射率为1.333的水、折射率为1.36的丙酮、折射率为1.36的丙酮、折射率为1.46的熔化的酒精、折射率为1.49的80％的糖溶液、及折射率为1.53的氯化钠溶液。可以看出谐振波长的漂移量Δλ与被测试样品的折射率之间呈良好的线性关系，即，折射率每增加0.001，谐振波长变大0.33纳米。也就是说，本实施例的传感器的灵敏度为330nm/RIU 。
本实施例的折射率传感器200中，通过光子晶体微腔结构100中孔102的直径、谐振腔12的直径参数的选择，及第一波导14与第二波导16的设置，使得光线的透过率可以提升到40％到70％。而且谐振波长的漂移量Δλ与折射率变化Δn之间的数值比达到330nm/RIU，使该折射率传感器200具有较高的测量精度，可以测量折射率0.001的变化。当测试未知折射率的样品时，根据检测到的谐振波长即可得到被测试样品的折射率，且具有较大的折射率测量范围，可达到1.0到1.6。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种折射率传感器，其包括光源、光子晶体微腔结构及感测器，所述光子晶体微腔结构包括晶体层及大量形成于该晶体层并规则排列的孔，其特征在于，其中一个孔的直径与其他孔的直径不同从而构成一谐振腔，所述晶体层的晶格常数为a，所述孔的直径为0.3a到0.5a，所述谐振腔的直径为0.55a到0.6a，该谐振腔相对的两侧的晶体层具有线缺陷，该线缺陷分别构成第一波导与第二波导，该第一波导与该谐振腔之间具有数个孔，该第二波导与该谐振腔之间具有数个孔，该第一波导与该谐振腔之间的数个孔及该第二波导与该谐振腔之间的数个孔与该第一波导、该第二波导及该谐振腔位于同一条直线上，所述光源设置于该第一波导之入射端，所述感测器设置于该第二波导之出射端。
2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述晶体层材料为Si、GaAs或GaAlAs。
3.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述第一波导及第二波导与该谐振腔之间分别具有2到5个孔。
4.如权利要求3所述的折射率传感器，其特征在于，所述孔排成m行，每行具有n个孔且其中心连线相互平行，相邻的两行之间交错排列，m及n分别为14-18之间的整数。
5.如权利要求4所述的折射率传感器，其特征在于，所述大量孔呈三角形排列。
6.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述孔为圆柱形孔。
7.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述光源为发光二极管或者二极管激光器。
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