现有技术出版物(R.Wehrspohn著，“光子晶体”，ISBN3-527-40432-5， 238-246页)公开了一种使用光子晶体的传感器。该传感器使用块状的三维 光子晶体作为传感元件，并且配置为通过关于所述传感元件的厚度相对的面 之一引入目标气体，并通过该传感元件的上述一个面导入(guide)波长与目 标气体的吸收波长相匹配的光，从而利用检测器例如光检测器检测从该传感 元件的另一面发出的光，以根据检测到的光强度计算气体浓度。
通常，将在光子晶体中传播的电磁波的群速Vg定义为Vg＝(dβ/dω)-1， 这里β是传播常数，ω是频率。因此，群速Vg随着频率ω变化与传播常数 β变化的比值的减小而降低，并且当频率ω与传播常数β之间的关系满足驻 波条件(波导模式的边界条件)时群速Vg变为零。
上述出版物中公开的传感器设计为通过将三维光子晶体中传播的群速 Vg设定为真空中光速的大约30％来延长光程长度，所以三维光子晶体需要 具有几厘米的厚度(即沿着入射光方向的尺寸)。因此三维光子晶体需要具 有100nm量级的均匀折射率周期结构，其可满足获得预期群速的频率ω和 传播常数β的条件。然而，当折射率周期结构变形时，在变形部位群速偏离 预期值，从而不能精确测量浓度。因此，三维光子晶体需要通过十分精确的 制造技术来制造。
此外，由于三维光子晶体具有较大的厚度，因此传播模式为包括较慢群 速模式和较快群速模式的多种模式，与恒定的群速相比，可能降低灵敏度。 另外，由于灵敏度可能随着入射光与各种传播模式的耦合效率而改变，因此 需要将三维光子晶体相对于光源精确定位。
另外，由于具有较低群速Vg的光在空间中的电场强度分布与标准光在 空间中的高斯分布颇为不同，因此，为了避免光耦合损失需要复杂的耦合结 构来转换电场强度分布，否则在三维光子晶体的光入射面上可发现光耦合损 失而使灵敏度降低。

鉴于上述问题，本发明提供一种目标物质传感器和目标物质检测方法， 该传感器对于目标物质具有高灵敏度并通过使用光子晶体而可减小尺寸。
根据本发明的传感器包括提供电磁波的电磁波源、光子传感器元件和检 测器。该光子传感器元件具有光子晶体结构并配置为包括：传感器波导，用 于引入电磁波；以及传感谐振器，与该传感器波导电磁耦合，以使特定波长 的电磁波谐振。该传感谐振器暴露于包含目标物质的气氛中，以改变从该传 感谐振器发出的电磁波的强度。该检测器配置为接收从该传感谐振器发出的 电磁波，以识别该电磁波的强度变化并发出表示目标物质浓度的信号。这样 配置的传感器利用在光子晶体中形成的谐振器处发生的特定波长的电磁波 的谐振，根据从该谐振器发出的电磁波的强度来检测目标物质的特性。因此， 该光子传感器元件可以由设置有传感器波导和传感谐振器的二维光子晶体 制成，从而可以制成薄结构。另外，与依赖三维光子晶体的现有传感器相比， 该传感器减少需要精确光子晶体结构的部分的数量，因此能够以更低的成本 制造。
优选地，该检测器配置为根据所述电磁波的特性变化来确定目标物质的 浓度，并发出表示该目标物质浓度的所述信号。
为了检测目标物质的浓度，根据如下情况采用不同的方案：依赖目标物 质吸收特定波长的电磁波的现象的情况和依赖在存在目标物质的情况下从 谐振器发出的电磁波的波长偏移的现象的情况。
当依赖目标物质吸收特定波长的电磁波的现象时，光子传感器元件配置 为在光子晶体结构中还包括参考波导和参考谐振器。该参考波导配置为从电 磁波源引入电磁波。该参考谐振器与该参考波导电磁耦合以使引入的特定波 长的电磁波谐振。检测器配置为包括：输出强度计，提供检测信号，该检测 信号表示从传感谐振器发出的特定波长电磁波的强度；参考强度计，提供参 考信号，该参考信号表示从所述谐振器发出的特定波长电磁波的强度；以及 浓度计，将检测信号与参考信号进行比较以获取特定波长的电磁波的衰减 量，从而根据所述衰减量计算目标物质的浓度。因此，通过将谐振器设计为 使得具有与目标物质吸收的电磁波的波长相等的波长的电磁波谐振，能够参 照目标物质的电磁波吸收特性而进行精确的浓度检测。
在这种情况下，优选地，光子传感器元件具有排列成二维阵列的光子晶 体结构，传感器波导和参考波导均在二维光子晶体结构中延伸以在波导的相 对端分别定义输入端口和输出端口。每个输入端口设置为接收来自电磁波源 的电磁波，而每个输出端口连接到每个对应的输出强度计和参考强度计其中 之一，用以提供从每个对应的传感谐振器和参考谐振器其中之一发出的电磁 波。
优选地，所述传感谐振器和参考谐振器均分别设置在传感器波导和参考 波导中。另外，优选地，多个谐振器串联排列在相应的波导中以提高下降效 率(drop efficiency)、即发射的电磁波的输出效率，从而提高检测灵敏度。
另外，光子传感器元件可配置为包括传感输出波导和参考输出波导。该 传感输出波导和该参考输出波导平行于对应的传感器波导和参考波导其中 之一延伸，并分别与传感谐振器和参考谐振器电磁耦合。在每个传感输出波 导的一个纵向端和在每个参考输出波导均的一个纵向端定义输出端口，该输 出端口连接到每个对应的输出强度计和参考强度计其中之一。
另外，所述检测器设置在与光子传感器元件的平面不同的平面中，并连 接到每个对应的传感谐振器和参考谐振器其中之一以接收从其中发出的电 磁波。
另外，同样可以使传感谐振器和参考谐振器共用一个电磁波输入通道。 在这种情况下，光子传感器元件配置为包括具有不同的配置并以并排关系排 列的第一光子晶体结构和第二光子晶体结构。传感器波导包括：输入波导， 穿过第一和第二光子晶体结构延伸；第一输出波导，在第一晶体结构的范围 内延伸；以及第二输出波导，在第二晶体结构的范围内延伸。传感谐振器形 成在该第一晶体结构中。参考谐振器配置为引起与传感谐振器固有的特定波 长(λ1)不同的波长(λ2)的电磁波谐振。对于这种设置，通过设置使与目 标物质吸收的电磁波的波长相等的、第一波长(λ1)的电磁波谐振的传感谐 振器，在参考谐振器处谐振的第二波长(λ2)的电磁波不受目标物质的影响， 这消除了将参考谐振器与包含目标物质的气氛相隔离的需要。
在本发明的另一优选实施例中，公开了一种用于测量目标物质浓度的结 构，该结构基于如下现象：通过与目标物质接触，谐振部分周围的折射率将 改变。当谐振部分周围的折射率改变时，在谐振部分谐振的电磁波的波长将 偏移。在这种情况下，由于折射率的变化、即谐振波长的偏移量由目标物质 本身确定，因此通过检测具有相应于目标物质偏移的波长的电磁波的强度， 能够获得目标物质的浓度。为了实现这个方案，电磁波源为传感器波导提供 包括不同波长的电磁波，从而传感谐振器使目标物质确定的特定波长的电磁 波谐振。就此，检测器配置为选择从传感谐振器发出的特定波长的电磁波(由 于存在目标物质而改变波长的电磁波)，并通过分析选择的特定波长的电磁 波的强度能够计算目标物质的浓度。这个方案可用于检测没有表现出吸收特 定波长的电磁波的目标物质，并且能够除去参考谐振器和相关的元件以实现 更小型的传感器。
尽管通常需要光谱功能来选择特定波长的电磁波，但是在不使用光谱功 能的情况下也可以实现该方案。为此，电磁波源配置为产生可变波长的电磁 波，并将波长随时间变化的电磁波提供给光子传感器元件。波长的扫描范围 设置为包括由目标物质的折射率确定的特定波长，以使检测器在特定波长的 电磁波被引入时从谐振器获取电磁波的强度，用以测量目标物质的浓度。
另外，利用传感谐振器处波长偏移的方案可用于检测各种目标物质。在 这种情况下，传感器配置为具有多个检测单元，每个检测单元由传感器波导、 传感谐振器和检测器构成。单个检测单元的传感谐振器设置为使与在其它检 测单元的谐振器处谐振的电磁波的波长不同的波长的电磁波谐振，即根据目 标物质，从而能够根据对应的电磁波强度获得多种目标物质的浓度。
优选地，传感谐振器包括反应器，作为确定地引起或增强相应于目标物 质的波长偏移的装置，该反应器与目标物质反应以使传感谐振器周围的折射 率发生显著变化，从而相应地引起显著的波长偏移。
当使用反应器时，可以将该反应器应用于在光子传感器元件中形成的两 个传感谐振器其中之一。在这种情况下，通过参考合成电磁波能够确定在反 应器中反应的目标物质的浓度，该合成电磁波由来自具有反应器的传感谐振 器的电磁波和来自没有反应器的传感谐振器的电磁波组成。
在利用传感谐振器处谐振的电磁波的波长偏移的方案中，多个传感谐振 器排列成二维阵列，以易于设计平面传感器。在这种情况下，与多个传感谐 振器相匹配地，多个检测器排列成二维阵列，以使单个检测器能够确定不同 的浓度，从而提供目标物质在二维平面内的浓度分布。
另外，除了目标物质的浓度之外，同样可以检测分散在一定区域上的不 同目标物质的种类。在这种情况下，多个传感谐振器排列成二维阵列，而多 个检测器相应地排列成二维阵列。多个传感谐振器配置为使不同波长的电磁 波谐振，以根据分别从多个检测器发出的特定波长的电磁波的强度识别不同 种类的目标物质，从而能够提供不同的目标物质在二维平面内的分布。
另外，本发明公开了一种根据由设置在不同于传感谐振器的部位的反应 器引起的电磁波强度变化来确定目标物质浓度的先进结构。例如，在将反应 器设置在传感器波导中时，传感器波导的折射率将随着目标物质的反应而改 变，从而改变传感器波导与传感谐振器之间的有效波导长度，进而改变检测 器接收到的电磁波的强度。检测器配置为根据电磁波的强度变化计算目标物 质的浓度。
在将反应器设置在光子传感器元件中的两个传感谐振器之间的能量耦 合通道中时，能量耦合通道的有效波导长度将随着目标物质的反应而改变， 从而通过分析最终的电磁波强度变化能够确定目标物质的浓度。
另外，本发明提出一种通过将上述反应器与特定的光子晶体结构结合而 能够进行高灵敏浓度检测的光子传感器元件的结构。该光子传感器元件包括 彼此不同并以并排关系排列在二维阵列中的第一光子晶体结构和第二光子 晶体结构。传感器波导由相互平行延伸的输入波导和输出波导构成。输入和 输出波导均在第一光子晶体结构的全长上延伸并延伸到第二光子晶体结构 中。传感谐振器形成在输入波导与输出波导之间的第一晶体结构中以与上述 波导电磁耦合。输入波导在其远离第二晶体结构的一个纵向端定义输入端 口，该输入端口用于接收来自电磁波源的电磁波。输出波导在其远离第二光 子晶体结构的一个纵向端定义输出端口，该输出端口用于发射在传感谐振器 处谐振的特定波长的电磁波。输入波导在第一和第二晶体结构之间的界面处 形成有输入反射镜，该输入反射镜用于向所述输出端口反射特定波长的电磁 波。此外，输出波导在第一和第二晶体结构之间的界面处形成有输出反射镜， 该输出反射镜用于向输入端口反射特定波长的电磁波。每个这样配置的输入 波导和输出波导在桥接第一和第二晶体结构的部位设置有反应器。该反应器 配置为与目标物质反应以改变反射效率，从而改变目标检测器接收到的电磁 波的强度。该检测器设置为计算作为强度的函数的目标物质的浓度。由于输 入波导和输出波导设置为桥接不同光子晶体结构且二者之间设置有反射镜， 并且由于输入波导和输出波导在桥接不同光子晶体结构的各个部位形成有 反应器，该反应器相应于目标物质的存在而改变电磁波的特性，因此所述反 射镜能够放大折射率的变化以使向传感谐振器传播的电磁波产生相位偏移， 从而提高在传感谐振器处谐振且从传感谐振器发出的特定波长的电磁波的 下降效率，以确保目标物质的高灵敏性浓度检测。
优选地，本发明的传感器包括控制器，该控制器配置为监控表示环境条 件的环境参数。该控制器设置为根据环境参数改变传感谐振器的光学特性， 以使特定波长的电磁波谐振，从而能够在补偿外界干扰例如温度的情况下进 行精确测量。例如，为了改变光子传感器元件的光学特性以保持传感谐振器 的特性恒定，光子传感器元件可以设置有加热器，该加热器由控制器激励， 以控制传感谐振器的温度。
此外，优选地，本发明的传感器包括恢复装置，该恢复装置配置为清除 陷在传感谐振器上的目标物质或杂质。该恢复装置可以是加热器，该加热器 通过加热将目标物质或杂质从传感谐振器的表面驱除。
另外，加热器可以用作调制装置，该调制装置调制在波导中传播的电磁 波的波长和的强度其中之一。也就是说，加热器的周期性通电能够周期性地 调制从谐振器发出的电磁波的强度或波长。因此，在检测器中只有经过调制 的电磁波才能被选择，以将其与噪声电磁波相区别开，从而提高检测精度。
本发明还提供一种使用光子晶体检测目标物质浓度的方法。这种方法利 用光子传感器元件，该光子传感器元件配置为包括：传感器波导，引入电磁 波；以及传感谐振器，与该传感器波导电磁耦合以使特定波长的电磁波谐振。 该方法包括如下步骤：将传感谐振器暴露于包含目标物质的气氛中，并通过 该传感器波导引入特定波长的电磁波；检测在传感谐振器处谐振的电磁波的 强度；以及分析该强度以计算所述目标物质的浓度。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的传感器的示意图。
图2是图1所示传感器的功能框图。
图3是示出图1所示传感器的浓度检测的曲线图。
图4是图1所示传感器中使用的光子传感器元件的另一实例的立体图。
图5是图1所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体图。
图6是图1所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体图。
图7是图1所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体图。
图8是图1所示传感器中使用的光子传感器元件的再一实例的立体图。
图9是示出根据本发明第二实施例的传感器的示意图。
图10是示出根据本发明第三实施例的传感器的示意图。
图11是图10所示传感器的功能框图。
图12是示出图10所示传感器的浓度检测的曲线图。
图13是图10所示传感器中使用的光子传感器元件的立体图。
图14是图13中包括传感谐振器的部分的局部放大俯视图。
图15是图13中包括传感谐振器的部分的局部放大剖视图。
图16是图13所示传感器中使用的光子传感器元件的另一实例的立体 图。
图17是图13所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体 图。
图18是图13所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体 图。
图19是图13所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体 图。
图20是图13所示传感器中使用的光子传感器元件的再一实例的立体 图。
图21是示出根据本发明第四实施例的传感器的示意图。
图22是图21所示传感器的功能框图。
图23是示出根据本发明第五实施例的传感器的示意图。
图24是图23所示传感器中使用的光子传感器元件的另一实例的立体 图。
图25是图23所示传感器中使用的光子传感器元件的又一实例的立体 图。
图26是示出根据本发明第六实施例的传感器的示意图。

根据本发明的传感器使用具有二维光子晶体结构的光子传感器元件20。 该光子晶体结构包括基材(matrix)和设置在该基材中的材料，该材料的折 射率不同于基材的折射率，以提供改变入射电磁波的方向和传播速度的光学 特性。本发明使用的光子晶体包括：折射率为3.4的硅半导体基体(厚度为 250nm)和在该基材中以420nm的间距排列成二维阵列的微小圆孔(φ＝ 240nm)。从而，微孔中折射率为1的空气周期性散布在衬底中(折射率为 3.4)以提供光子晶体的特性。硅半导体位于氧化的硅层、即SOI衬底(折射 率为1.5)上。换句话说，该光子晶体由SOI衬底制成，该SOI衬底的硅半 导体层被蚀刻而形成大量的圆孔以在硅半导体层中实现光子晶体结构。
光子传感器元件20形成有波导22和谐振器24，其中波导22用于引入 电磁波，而谐振器24使引入到波导中的具有特定波长的电磁波谐振。上述 波导和谐振器是通过在光子晶体结构的周期结构中设置缺陷、即无孔部分而 形成。
当使用处于光传输带宽例如C带(1530nm至1565nm)或L带(1565nm 至1625nm)内的电磁波时，光子晶体1中的圆孔以0.42μm的周期(即二维 光子晶体的折射率周期结构的周期，或二维三角形格子的格点之间的格间距 (inter-lattice distance))排列成阵列，圆孔的半径定为0.92a，传感器元件 的厚度定为0.6a。从而，形成某一带宽的光子带隙，其不传播在与光子晶体 的厚度方向垂直的二维平面中任一方向上入射的、具有上述频带的电磁波 (光)。波导22和谐振器24没有适当数量的圆孔以能够传播电磁波。周 期(a)的值和圆孔的半径不限于上述值，周期(a)可以接近具有上述带宽 的电磁波的波长(例如，电磁波波长的一半)。
本发明配置为利用在光子晶体的谐振器处发生的谐振来检测目标物质 的浓度，并根据目标物质的种类通过不同的机制进行浓度检测。目标物质可 基本上分为下列两类：
1)表现吸收特定波长电磁波的显著特性的物质；以及
2)表现改变气氛折射率的显著特性的物质。
本发明基于与目标物质的种类相关的上述两种特性，首先参照利用上述 1)特性说明浓度检测的第一实施例。
<第一实施例>
在本实施例中，引起目标物质吸收的特定波长的电磁波在谐振器处谐 振，从而根据从谐振器输出的衰减因子来检测目标物质。适用的目标物质包 括具有吸收特定波长电磁波的显著特性的物质，例如碳酸氧和氮气以及类似 气体。
图1和图2示出根据本实施例的传感器，其中光子传感器元件20形成 有传感器波导22和参考波导32以及传感谐振器24和参考谐振器34，其中 传感器波导22和参考波导32引入电磁波，所述电磁波包括具有特定波长的 电磁波，例如波长为2μm至13μm的红外线；而传感谐振器24和参考谐振 器34分别与上述波导电磁耦合(couple)。每个谐振器均配置为使(目标物 质吸收的)特定波长的电磁波谐振。传感谐振器24和传感器波导22暴露于 包含目标物质的气氛中以测量被存在的目标物质吸收的电磁波的强度。另一 方面，参考波导32和参考谐振器34通过屏蔽板(shield)36而与含有目标 物质的大气隔离以获取电磁波的参考强度，从而根据两种强度之差获取电磁 波的衰减因子，进而根据该衰减因子确定目标物质的浓度。
为了实现上述功能，根据本实施例的传感器设置有电磁波源10，其用于 向光子传感器元件20提供电磁波；分配器11，其用于向传感器波导22和参 考波导32分配电磁波；输出强度计41，其用于测量从传感谐振器24发出的 电磁波的强度；参考强度计51，其用于测量从参考谐振器34发出的电磁波 的强度；浓度计42，其根据在输出强度计41和参考强度计51处获得的电磁 波的强度之差获取电磁波的衰减因子，以确定目标物质的浓度。输出强度计 41、参考强度计51和浓度计42共同地称作检测器40，并由单一的微处理器 实现。检测器40将表示在浓度计42处获取的浓度信号输出至显示器60以 显示该浓度。
传感器波导22和参考波导32在光子传感器元件的全长上线性延伸，以 在一个纵向端定义输入端口21和31，在另一纵向端定义输出端口23和33。 馈送器(feeder)12分别连接(couple)到输入端口21和31以从电磁波源 将电磁波引入到单个波导。输出端口23和33分别连接到输出强度计41和 参考强度计51以将从传感谐振器24和参考谐振器34发出的特定波长的电 磁波传输到上述强度计。传感谐振器24和参考谐振器34均形成在每个对应 波导的纵向中心处以传播在对应的谐振器处谐振的电磁波。强度计41提供 表示在谐振器24中谐振的电磁波的强度的检测信号，而强度计51提供表示 在谐振器34中谐振的电磁波的强度的参考信号。浓度计42根据输出强度计 41的检测信号与参考强度计的参考信号之差确定由于目标物质的存在而产 生的衰减因子。该衰减因子由下面的公式1表示：
$L=\frac{\mathrm{Iref}-\mathrm{Iout}}{\mathrm{Iref}}$ (公式1)
这里，Iref是参考强度计51的输出，Iout是输出强度计41的输出。
从而，发现获得的衰减因子(L)与目标物质的吸收因子具有如图3所 示的关系。由于吸收因子对应于气氛中目标物质的浓度并且检波器40配置 为具有表示衰减因子和浓度之间关系的公式，因此浓度计42能够根据衰减 因子确定目标物质的浓度。电磁波的输出强度由下面的公式确定。
$\mathrm{Iout}=\frac{1}{(1+\frac{\mathrm{Qin}}{2\mathrm{Qa}})}$ (公式2)
Qin是由谐振器与波导之间的耦合强度确定的Q值，而Qa是由谐振器 中吸收的能量损失量确定的Q值。更具体地，Qin是谐振器与波导之间的Q 值，Qa是由谐振器的吸收而导致的Q值，Qy由谐振器与自由空间之间的Q 值确定并满足关系Qy＞＞Qin。Qin可视为与谐振器和波导构成的系统中从谐 振器泄漏到波导的能量额有关的值(即表示在谐振器和波导构成的系统中在 谐振器中积累的能量额)。当用W表示在谐振器中积累的能量并用dW/dt 表示单位时间内从谐振器到波导的能量损失时，定义Qin＝ω0×W/(dW/dt)。 Qa可视为与因谐振器中的吸收而损失的能量额有关的值。当用W表示在谐 振器中积累的能量并用-dW/dt表示单位时间内因谐振器中的吸收引起的能 量损失时，定义Qa＝ω0×W/(dW/dt)，因此Qa＝(ω0×nm)/(a×c)，其中nm为谐振 器24的有效折射率，a为吸收因子，c为光速。
就此而论，电磁波的输出强度可认为是下降效率(D)，其表示为引入 到输入端口的电磁波强度S+1与从输出端口发出的电磁波强度S-2之比，如下 面的公式所示
$D={\left|\frac{S_{-2}}{S_{+1}}\right|}^2$ (公式3)
为了补偿外界干扰以进行稳定的测量，图2所示的方案包括控制器70， 其监控从电磁波源10输出的电磁波强度以通过反馈控制保持输出强度恒定。
除了图1的配置之外，光子传感器元件可配置为如图4至图9所示。尽 管只关于传感器波导22和传感谐振器24说明上述结构，但是类似的配置可 应用到参考波导和参考谐振器。
图4的光子传感器元件20在传感器波导22中形成有多个传感谐振器24， 并且在相反的纵向端分别形成有电磁波的输入端口21和输出端口23。每个 传感谐振器24设计为使具有特定波长的相同电磁波谐振，并设置为增加与 目标物质接触的机会，从而提高目标物质的检测灵敏度。
图5的光子传感器元件20整体地形成有加热器80，通过加热器80进行 热控制来保持光子传感器元件的均匀光学特性，从而对目标物质进行精确的 浓度检测。通过使用温度传感器并通过图2所示的控制器进行热控制。除了 这一用途，加热器80还可用于通过加热将目标物质和杂质从传感谐振器中 驱除。加热器的适时加热能够恢复传感器元件。该加热器优选由珀尔帖 (Peltier)元件制成。
另外，加热器可用作调制装置，用以调制在波导中传播的电磁波的波长 或强度。即加热器的周期性通电能够周期性地调制从谐振器发出的电磁波的 强度或波长，以使分析器能够从检测器检测到的电磁波中只选择经调制的电 磁波，从而将其与不是来自谐振器的电磁波噪声区别开，以提高检测精度。 该调制装置不限于加热器，可以包括那些能够对来自电磁波源的电磁波进行 波长调制或强度调制的装置。例如，为了周期性地中断电磁波源的输出，调 制装置可配置为包括断路旋转板(chopping rotary plate)和马达，该马达由 控制器控制以驱动断路旋转板。
在图6的光子传感器元件20中，传感器波导由相互平行延伸的输入波 导22A和输出波导22B组成。传感谐振器24设置在输入波导22A与输出波 导22B之间的中间部位，以从位于输入波导22A一端的输入端口21接收特 定波长地电磁波，并使该电磁波谐振。该电磁波通过输出波导22B传播，以 通过位于输出波导一端的输出端口23将该电磁波发射到检测器。
在图7的光子传感器元件20中，传感器波导22在其相反的纵向端定义 输入端口21和输出端口23，而传感谐振器24形成在光子传感器元件20的 横向上隔开的部位，即在与传感器波导的纵向相垂直的方向上隔开的部位， 从而使从传感谐振器24发出的电磁波通过输出端口23输出到检测器。
图8的光子传感器元件20配置为在光子传感器元件的厚度方向上从传 感谐振器24发射电磁波，以将传感谐振器24与设置在该传感谐振器上方的 检测器电磁耦合。
在上面的实施例中，传感器波导22和传感谐振器24与检测器40协作， 以提供检测一种目标物质的浓度的单一检测单元。因此，通过关于不同种类 的目标物质提供多个检测单元，能够测量不同种类的目标物质的浓度。在这 种情况下，使不同波长的电磁波谐振的多个传感谐振器和对应数量的传感器 波导一起形成在一个光子传感器元件中。
<第二实施例>
图9示出本发明的第二实施例，其中光子传感器元件20配置为通过单 一输入端口21将来自电磁波源10的电磁波提供给传感谐振器24和参考谐 振器34。光子传感器元件20形成有第一光子晶体结构PC1和第二光子晶体 结构PC2，第一光子晶体结构PC1和第二光子晶体结构PC2是彼此不同的 晶体结构。即这两种不同的晶体结构具有以不同的周期排列在二维阵列中的 改变折射率的微小圆孔，以选择性传播不同波长的电磁波。传感器波导包括 延伸过两种晶体结构PC1和PC2的输入波导22A和分别属于每一种晶体结 构的两个输出波导22B1和22B2。传感谐振器24和参考谐振器34分别形成 在晶体结构PC1和PC2中，以与输入波导22A和输出波导22B1和22B2电 磁耦合。光子晶体结构PC1和PC2设计为分别使波长彼此不同的电磁波在 谐振器24和34中谐振。即第一光子晶体结构PC1引起目标物质吸收的、具 有第一波长(λ1)的电磁波谐振，而第二光子晶体结构引起具有不同于第一 波长(λ1)的第二波长(λ2)的电磁波谐振。使用具有与图1和图2所示相 同结构的检测器40，以使输出强度计41检测具有第一波长(λ1)的电磁波 的强度，而参考强度计51检测具有第二波长(λ2)的电磁波的强度。浓度 计42比较第一波长(λ1)的电磁波强度和第二波长(λ2)电磁波强度，从 而获得第一波长(λ1)的电磁波的衰减因子，并以与第一实施例中相同的方 式根据衰减因子计算目标物质的浓度。
在本实施例中，由于传感谐振器24设置为使目标物质吸收的、具有第 一波长(λ1)的电磁波谐振，而参考谐振器34设置为使具有与第一波长不 同的第二波长(λ2)的电磁波谐振，从而在参考谐振器34处谐振的电磁波 不受目标物质的影响。因此，需要将参考谐振器34与包含目标物质的气氛 隔离。
<第三实施例>
图10和图11示出了一实施例，其公开了一种实现对具有改变气氛折射 率的显著特性的目标物质进行测量的方案。该目标物质包括例如蒸汽和酒 精。目标物质的浓度测量是利用以下现象：相应于由于目标物质的存在而导 致的传感谐振器周围的折射率改变，传感谐振器处谐振的电磁波的波长偏 移。图12表示目标物质的折射率与在谐振器处谐振的电磁波的对应波长之 间的关系。因此，通过将传感谐振器设计为在由目标物质确定的特定波长谐 振，目标物质的浓度可视为从传感电极24发出的输出强度的函数。
为此，本实施例配置为将包括特定波长的较宽带宽中的电磁波引入到传 感器波导22，以从传感谐振器24发出的电磁波中选取出目标物质固有的特 定波长的电磁波的强度，并根据电磁强度计算浓度。图中所示实施例的光子 传感器元件20配置为具有由相互平行延伸的输入波导22A和输出波导22B 构成的传感器波导和设置在上述波导之间的传感谐振器24。传感谐振器24 暴露于包含目标物质的气氛中，从而当谐振器与预期的目标物质接触时，该 谐振器使通过位于输入波导22A一个纵向端的输入端口21引入的电磁波中 目标物质固有的特定波长的电磁波谐振。然后，谐振的电磁波通过位于输出 波导22B一个纵向端的输出端口23被输出到检测器40。
检测器40配置为具有光谱分析功能，以通过光谱选择具有由目标物质 确定的特定波长的电磁波、获取选择的电磁波的强度、确定与该电磁波强度 成比例的目标物质的浓度以及输出表示目标物质浓度的浓度信号。显示器60 设置为相应于浓度信号显示浓度。
电磁波源10提供包括由目标物质确定的波长例如2μm至13μm的较宽 带宽中的电磁波。
图13至图20示出如上讨论的第三实施例中使用的光子传感器元件20 的各种改型。
在图13至图15的改型中，传感谐振器24在其顶部形成有反应器80， 该反应器80吸收目标物质或与目标物质反应以改变传感谐振器24中谐振的 电磁波的波长。反应器80设置为确定地引起或放大取决于目标物质的波长 偏移，并且反应器80由如下材料制成：由于目标物质的存在，明显地改变 谐振器24周围的折射率。例如，在实现目标物质为水的湿度传感器时，可 使用吸收水的SiO2或者聚合物。在实现目标物质为生物材料的生物传感器 时，可使用如羧酸盐的受体(receptor)。在图14中，“M”用于示意性地 表示被吸收至反应器80的目标物质的分子。
图16至图18的改型配置为在光子传感器元件20中具有两个谐振器24A 和24B，并且仅在其中一个谐振器24A上设置反应器80。在存在目标物质的 情况下，一个谐振器24A中谐振的电磁波的波长偏离另一个谐振器24B中谐 振的电磁波的波长，从而削弱两个谐振器之间的电磁耦合力，进而改变输出 到检测器40的电磁波的强度。检测器40识别电磁波强度的变化，从而根据 该变化确定目标物质的浓度。虽然检测器40设置为根据设置有反应器的谐 振器处谐振的电磁波的强度变化来确定浓度，但是在没有反应器的谐振器处 谐振的电磁波的强度同样适用。
在图16的改型中，沿着光子传感器元件20的横向，两个谐振器24A和 24B设置在输入波导22A和输出波导22B之间。在图17的改型中，沿着波 导22且在波导22之外设置两个谐振器24A和24B。在图18的改型中，在 位于波导22中心的一行中设置两个谐振器24A和24B。
图19的改型配置为在一个光子传感器元件20中包括多对波导22和谐 振器24，并包括用于每一对波导22和谐振器24的一组电磁波源10和检测 器40。谐振器24设计为使具有不同波长的电磁波谐振，用于多种目标物质 的浓度测量。在这种情况下，至少一个谐振器可以设置有上述反应器。
将图20的改型配置为平面传感器，其中在单一光子传感器元件20中沿 其一个维度设置多个平行波导22，并且在二维平面中交叉地排列多个谐振器 24。来自单一电磁波源10的电磁波被引入到每个波导22，而谐振器24分别 连接到检测器40。检测器40也排列在二维平面中并由框架90支撑。每个检 测器40在与谐振器24的平面垂直的方向上与谐振器24的平面隔开，以接 收从每个谐振器24发出的电磁波。谐振器24设计为与相邻的波导22电磁 耦合，并使具有不同波长的电磁波谐振，从而能够识别平面内折射率变化， 即平面内目标物质的变化。也就是说，来自不同谐振器24的电磁波强度分 别代表不同目标物质的浓度。因此，除了浓度检测之外，例如，还能够检测 目标物质经历的反应进程，也能够检测目标物质的平面内分布。当多个谐振 器24设计为使相同波长的电磁波谐振时，能够获得特定目标物质的平面内 浓度分布。另外，在此改型中，谐振器可以另外设置有反应器。
<第四实施例>
图21和图22示出本发明的第四实施例，其基本上与第三实施例相同， 但是使用提供可变波长的电磁波的电磁波源10，从而通过波长扫描为光子传 感器元件20提供波长随时间变化的电磁波。将波长扫描的范围设定为包括 由目标物质的折射率确定的特定波长。由检测器40进行浓度测量，检测器 40在从电磁波源10引入特定波长的电磁波时从谐振器24获取电磁波强度。 为此，本实施例包括扫描控制器46，扫描控制器46随时间改变来自电磁波 源10的电磁波的波长，同时将电磁波输出的读取与波长扫描同步。为了进 行浓度测量，将具有与对应于目标物质的特定波长不同的波长的电磁波的强 度存储为参考强度，将特定波长的电磁波的强度与该参考强度进行比较来计 算目标物质的浓度。按这种设置，能够分析在波长扫描范围内变化的每一波 长的电磁波强度，从而获得各种目标物质的浓度。除了图21的结构之外， 本实施例的光子传感器元件20可以具有如图5至图8和图13至图18所示 的任何一种结构。
另外，为了提高测量精度，本实施例可包括循环调制从谐振器发出的电 磁波的强度或从电磁波源提供到谐振器的电磁波的强度的结构。
<第五实施例>
图23示出了本发明的第五实施例，其中将上述反应器80设置在光子传 感器元件20中贯穿谐振器24的电磁波通道中。当反应器80吸收目标物质 或与目标物质反应时，电磁波通道(能量耦合通道)中的电磁耦合效率，即 有效波导长度改变，从而相应地改变检测器40检测到的电磁波强度。对于 目标物质的浓度测量，依赖于电磁波强度的变化。在本实施例中，为了改变 在存在目标物质的情况下与设置在波导22中心附近的谐振器24的电磁耦合 效率，将反应器80设置在波导22的中心处，在波导22的相反端分别形成 有输入端口21和输出端口23。
图24示出第五实施例的改型，其中在光子传感器元件20中在与波导22 平行排列的两个谐振器24之间形成反应器80，用于根据两个谐振器之间的 电磁耦合效率的变化进行目标物质的浓度测量。
图25示出第五实施例的改型，其中在光子传感器元件20中在两个平行 的波导、即输入波导22A和输出波导22B之间排列的两个谐振器24之间形 成反应器80，用于根据两个谐振器之间的电磁耦合效率的变化进行目标物质 的浓度测量。
<第六实施例>
图26示出本发明的第六实施例，其中光子传感器元件20配置为具有第 一光子晶体结构PC1和第二光子晶体结构PC2，第二光子晶体结构PC2的 晶体结构不同于第一晶体结构但其从第一晶体结构连续形成。在这些晶体结 构中，为了选择性地传播不同波长的电磁波，用于改变折射率的微小圆孔以 彼此不同的周期排列成二维阵列。输入波导22A和输出波导22B均形成为桥 接第一晶体结构PC1和第二晶体结构PC2。在第一晶体结构PC1的一端， 输入波导22A和输出波导22B分别形成有电磁波的输入端口21和输出端口 23。谐振器24设置在第一光子晶体结构PC1中的输入波导22A和输出波导 22B之间以与这两个波导电磁耦合。谐振器24设计为使具有特定波长的电 磁波谐振。
输入波导22A在第一晶体结构PC1与第二晶体结构PC2之间的界面处 形成有输入反射镜25A，该输入反射镜只反射在谐振器处谐振的特定波长的 电磁波，而使其它波长的电磁波通过。同样地，输出波导22B在第一晶体结 构PC1与第二晶体结构PC2之间的界面处形成有输出反射镜25A，该输出 反射镜只反射在谐振器处谐振的特定波长的电磁波，而使其它波长的电磁波 通过。上述反射器基于如下根据形成：第一晶体结构PC1和第二晶体结构 PC2具有彼此不同的周期结构，并负责提高将在谐振器24处谐振的特定波 长的电磁波从输入波导22A传播到谐振器24的效率和提高将在谐振器24处 谐振的特定波长的电磁波通过输出波导22B输出到检测器40的效率。
输入波导22A和输出波导22B在桥接第一晶体结构PC1和第二晶体结 构PC2的部位分别形成有上述反应器80，上述反应器在与目标物质反应时， 改变上述晶体结构之间的界面特性，以改变输入反射镜25A和输出反射镜 25B的功能，从而显著降低反射在谐振器24处谐振的特定波长的电磁波的 功能。因此，在反应器80处识别目标物质时，从输出波导22B发出的特定 波长的电磁波的强度降低，从而根据电磁波强度的变化能够计算目标物质的 浓度。即根据检测器40接收到的电磁波强度获得下降效率(D)，并根据下 降效率(D)获得浓度。下降效率(D)是输出电磁波强度S-2与输入电磁波 强度S+1之比，如上面的公式3所示。
下降效率(D)也用下面的公式表示。
$D={\left|\frac{S_{-2}}{S_{+1}}\right|}^2=\frac{\frac{4}{\{Q_{\mathrm{inb}}/(1+\cos {\theta }_1)·Q_{\mathrm{inr}}/(1+\cos {\theta }_2)\}}}{4{\left(\frac{\omega -{{\omega }^{\prime }}_0}{{\omega }_0}\right)}^2+{\{\frac{1}{Q_v}+\frac{1}{Q_{\mathrm{inb}}/((1+{\cos \theta }_1)}+\frac{1}{Q_{\mathrm{inr}}/((1+{\cos \theta }_2)}\}}^2}$ (公式4)
θ1＝2β1×d1+Δ1        (公式5)
θ2＝2β2×d2+Δ2        (公式6)
Qinb＝ω0×W/(-dW/dt)    (公式7)
Qinb＝ω0×W/(-dW/dt)    (公式8)
${{\omega }_0}^{\prime }={\omega }_0(1+\frac{{\sin \theta }_1}{{2Q}_{\mathrm{inb}}}+\frac{{\sin \theta }_2}{{2Q}_{\mathrm{inv}}})$ (公式9)
在上面的公式中，
d1是沿着输入波导22A的长度方向谐振器24与输入反射镜25A之间的 距离；
d2是沿着输出波导22B的长度方向谐振器24与输出反射镜25B之间的 距离；
β1是输入波导22A的传播因子；
β2是输出波导22B的传播因子；
Δ1是在输入反射镜25A上反射的电磁波的反射相位变化；
Δ2是在输出反射镜25B上反射的电磁波的反射相位变化；
θ1是在输入反射镜25A上反射并返回至谐振器24周围的电磁波的相位 偏移量。
θ2是在输出反射镜25B上反射并返回至谐振器24周围的电磁波的相位 偏移量。
ω0是谐振器24的谐振频率；
Qinb是谐振器24与输入波导22A之间的Q值；
Qinr是谐振器24与输出波导22B之间的Q值；
W是谐振器24中积累的能量；以及
dW/dt是每单位时间从谐振器24到输入波导22A的能量损失，每单位 时间从谐振器24到输出波导22B的能量损失。
由于本实施例的光子传感器元件20配置为通过在叠置在SiO2衬底上的 硅半导体层中形成大量微小圆孔来实现光子晶体结构，其中将谐振器24制 作为通过消除圆孔，即通过用Si填充孔而形成的施主型缺陷，因此到自由空 间的辐射损失较小以提供高Qv，从而Qinb/(1+cosθ1)＜＜Qv。因此，上面公式4 中的“1/Qv”项可以被忽略。从而，通过设置满足关系Qinb/(1+cosθ1)＝Qinr/(1+ cosθ2)和θ1、θ2≠2Nπ(N＝0、1、...)的参数d1、d2、β1、β2、Δ1、D2、θ1、θ2、 Qinb、Qinr、Qv，在没有目标物质的情况下能够提供大约为1(即100％)的 下降效率；而在存在目标物质的情况下能够使下降效率在很大程度上不同， 从而实现高灵敏度的浓度测量。
注意就此而论，虽然上述实施例使用硅半导体的光子晶体作为光子传感 器元件，但是本发明不应局限于此，可以使用各种光子晶体例如GaAs和InP。
此外，根据目标物质的种类，可适当地选择从电磁波源提供给光子传感 器元件的电磁波的波长。根据目标物质，可应用的电磁波可适当地选自光学 传输带宽例如C带(1530nm至1565nm)和L带(1565nm至1625nm)的电 磁波。另外，电磁波源10可选自产生光传输带宽的电磁波的装置，包括发 光二极管、半导体激光器、卤素灯、ASE(放大自发发射)光源和SC(超连 续)光源。当产生近红外波长带时，可以使用黑体发射光源例如具有所谓微 桥结构的红外辐射元件，在该红外辐射元件中线性加热器桥接在矩形支撑衬 底一个面上的两点之间，例如该衬底使用通过微加工技术制造的硅衬底。
虽然上述实施例公开了用于检测预定目标物质浓度的结构，但是本发明 不应局限于此，并且通过分析从光子传感器元件输出的电磁波强度本发明同 样可用于检测目标物质的种类或特性。
另外，虽然上述实施例公开了作为气体传感器、湿度传感器和生物传感 器的应用，但是本发明不应局限于此，并且本发明可用作检测其它物质的传 感器例如离子传感器。
本申请要求2004年03月24日申请的日本专利申请No.2004-87666的优 先权，并援引该日本专利申请中公开的全部内容。