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原文传递一种基于硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器

专利名称：	一种基于硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器
摘要：	本发明公开了一种基于硅基中红外亚波长光栅波导结构的传感器系统包括：激光光源、棱镜耦合、气体流动池、硅基中红外亚波长光栅波导、探测器、计算机。基本原理是激光光源产生的光和气体之间的相互作用影响传感器中波导模式的折射率分布，进而影响传感器输出透射谱中谐振峰的变化，根据谐振峰变化实现对气体种类及浓度检测。所述硅基亚波长光栅波导是将绝缘体上硅材料顶层Si刻蚀后形成亚波长光栅(SWG)波导，在波导两侧开孔将波导下方的绝缘层SiO2中间部分掏空后形成以空气为下包层的悬浮波导结构。本发明提供了一种无需荧光标记、高灵敏度的气体传感器，特别是对于CO2、CH4等在中红外光谱区有光谱响应的气体，进行有效的监测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	中国计量大学
发明人：	曹馨艺;金尚忠;王赟;陈智慧;侯彬
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-26T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
申请号：	CN201910230224.4
公开号：	CN109839365A
分类号：	G01N21/41(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	310018 浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号
主权项：	1.一种硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于所述传感器系统包括激光光源、棱镜耦合、气体流动池、硅基中红外亚波长光栅波导、探测器、计算机组成：其中激光光源选用中红外激光光源；探测器选用蹄镉汞(MCT)红外探测器，气体流动池左右两侧分别为气体流出口、气体流入口，气体流动池与硅基中红外亚波长光栅波导相连接，棱镜耦合利用高折射率的棱镜，将入射光波与导模之间进行相位匹配。硅基中红外亚波长光栅波导基于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)材料，对SOI顶层Si进行刻蚀得到亚波长光栅(Subwavelength Grating，简称SWG)波导；对SWG波导两侧开小孔的方式将波导正下方的绝缘层SiO2中间部分刻蚀后形成的具有SWG包层的悬浮波导。 2.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于所述传感器是基于光和待测气体之间的相互作用影响波导模式的折射率分布，进而影响传感器的输出透射谱中谐振峰的变化，根据传感器输出频谱中谐振峰的变化来实现对气体种类及浓度等检测。 3.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述绝缘体上硅材料，其结构为：包括顶层硅，绝缘层SiO2以及衬底Si，可实现器件的微型化；SiO2材料和Si材料之间的高折射率差，通过绝缘层SiO2作为下包层将光场限制在顶层硅的波导中，阻止光场向衬底Si泄露，实现光的低损耗传输,提高传感器的信噪比。波导灵敏度Swaveduide定义为波导等效折射率变化量对待测气体折射率变化量的比值。其中，nc为待测气体折射率，neff为波导等效折射率。由此可见，从波导灵敏度Swaveduide着手，通过设计波导结构来提高波导中光场同待测气体相互重叠的程度，从而提高传感器的灵敏度。 4.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述亚波长光栅波导，选用SOI基片完成硅基波导器件的加工：SOI基片具有220nm厚的顶层硅以及2μm厚的SiO2绝缘层,通过选择光栅周期小于波导模式有效波长的一半，即其中λ为入射光波长，光栅波导能够实现有效的亚波长传输机制。所述亚波长光栅波导尺寸结构参数为：光栅高度根据商用SOI材料顶层硅尺寸为1μm以下，常用为220nm、260nm、340nm。光栅周期为250～300nm，波导宽度为350～550nm，占空比为0.4～1。 5.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述亚波长光栅波导，在上述SOI片上通过基片清洗、匀胶前烘、电子束曝光、显影定影、刻蚀及去胶等标准工艺制备。 6.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器应用于气体检测的方法，其特征在于：传统的硅基条波导由于紧凑尺寸伴随的强的光场限制及材料自身高的三阶非线性系数则可能会对其内传输的高速光信号造成非线性损伤，非线性传输损伤包括影响光脉冲能量的受激布里渊散射、受激拉曼散射、四波混频效应以及影响光脉冲形状的自相位调制和交叉相位调制效应。根据已有的全矢量非线性分析模型：可以利用下式得到非线性系数γ：式中，Aeff是波导内传输的TM基模的有效模场面积；为波导的有效非线性折射率，它是在波导截面上依据光场模式分布计算的平均非线性折射率值。分别用ev和hv来表示波导内传输模式的电场和磁场矢量，Aeff和可以表示为：这里，是自由空间的波阻抗，n1为非线性克尔系数，是传输方向上的单位矢量。利用公式(5)和公式(6)；可以分别求出Aeff和随后代入公式(4)可以计算出波导的等效非线性系数γ的值。所述亚波长光栅波导，作为一种允许人为设计波导芯等效折射率的波导结构，可通过调整光栅的几何尺寸来调节截面上的光场模式分布。该波导结构的模场分布与波导侧壁间减弱的相互作用，拥有相比于条波导更小的等效非线性系数，即比硅条波导更小的传输损耗，对微量待测气体的检测性能更好。 7.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述悬浮亚波长光栅波导，通过二次匀胶前烘，二次刻蚀，在上述亚波长光栅波导的最左、右两侧开出两列周期性小孔，将小孔处刻烛到SiO2绝缘层。 8.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述悬浮亚波长光栅波导，将上述亚波长光栅波导器件放入氢氟酸(HF)溶液中浸泡，使得氢氟酸溶液通过小孔掏空亚光栅波导正下方中间部分的绝缘层中间部分，从而形成以空气为下包层的中红外低损耗悬浮亚波长光栅波导结构。 9.根据权利要求1-5所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器，其特征在于：所述悬浮亚波长光栅波导具有低吸收损耗的绝缘层，消除了绝缘体上硅由于SiO2绝缘层在中红外波段对光信号的限制。 10.根据权利要求1所述的硅基中红外亚波长光栅波导的气体传感器应用于气体检测的方法，其特征在于：中红外激光器连接电源开启后，待测气体从气体流动池右侧进气口进入，从气体流动池左侧出气口流出，所发射出的中红外激光通过反射镜聚焦，经过棱镜耦合后进入硅基中红外亚波长光栅波导一侧，在波导另一侧经过棱镜耦合后，光输出向蹄镉汞(MCT)红外探测器，可以将波导的折射率变化转为可测量的电信号,并将数据送到计算机中进行处理，将计算的结果与计算机中事先整理好的由各气体组成的数据库信息进行比对，我们可以得出被测量气体的相关信息，从而实现传感功能。
所属类别：	发明专利