SBIR Phase II: Low Cost On-Chip Photonic Crystal Slot Waveguide Absorption Spectrometer for Highly Sensitive, Continuous,In-Situ,Remote Specific Detection of Multiple VOC in Water

SBIR 第二阶段:低成本片上光子晶体狭缝波导吸收光谱仪,用于水中多种 VOC 的高灵敏度、连续、原位、远程特异性检测

基本信息

  • 批准号:
    1127251
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2011
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2011-10-15 至 2014-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Small Business Innovation Research (SBIR) Phase II project proposes to develop a low cost packaged near-infrared on-chip silicon absorption spectrometer for simultaneous and specific detection of multiple volatile organic compounds in water (ground water, waste water and drinking water). In phase I, the volatile organic compound xylene was successfully detected in water at 100 parts per billion through near-infrared absorption signatures, on chip with 300 micron long photonic crystal slot waveguides which represents the best results in device sensitivity and in miniaturization. The device combines slow light effect in photonic crystal waveguides with highly concentrated optical field intensity in a low index slot at the center of the photonic crystal waveguide. The photonic crystal slot waveguide proposed herein provides a factor of 1000 reduction in interaction length compared to conventional waveguides leading to enhanced optical absorption by analytes in the optical path. Transmission is measured from multiple waveguides covering the entire near-infrared wavelength range, and absorbance determined by measuring transmission differences in the presence and the absence of any volatile organic compound analytes ofinterest. The miniature spectrometer will enable massively parallel identification and high throughput analysis. The broader impacts of this research are the enabling of continuous, remote, in-situ monitoring and unique identification of multiple volatile organic compounds (VOCs) in groundwater, drinking water, and waste water, with high sensitivity and specificity, a facility that is not available commercially at present. The integrated siliconplatform ensures low cost production in high volume. From commercial standpoint, the United Nations Environment Program estimates the global water market to expand to $660 billion from the current $250 billion by 2020. The proposed photonic crystal slot waveguide device can be expected to occupy a significant position in this market. The generalized design of the proposed versatile technology implies possible implementation in multiple areas of in-situ analyte sensing, detection, and spectroscopy such as control of food, air, and water quality and health, in a lab-on-chip platform with low cost of ownership. Through continuous, in-situ and remote monitoring, the prototype developed from this research will eliminate the lag time that currently exists in industrial water monitoring, sometimes extending to few months as in VOC monitoring of rivers and lakes, thereby enabling early warning of spurious leaks and spills instead of after-the-fact damage control and mediation and thus enhance environmental and national security.
该小型企业创新研究(SBIR)第二阶段项目拟开发一种低成本封装近红外片上硅吸收光谱仪,用于同时、特异性检测水中(地下水、废水和饮用水)中的多种挥发性有机化合物。 在第一阶段,通过近红外吸收特征,在具有 300 微米长光子晶体槽波导的芯片上成功检测出水中浓度为 100 ppb 的挥发性有机化合物二甲苯,这代表了器件灵敏度和小型化的最佳结果。 该器件将光子晶体波导中的慢光效应与光子晶体波导中心的低折射率槽中的高度集中的光场强度相结合。 与传统波导相比,本文提出的光子晶体缝隙波导将相互作用长度减少了1000倍,导致光路中分析物的光吸收增强。 从覆盖整个近红外波长范围的多个波导测量透射率,并通过测量存在和不存在任何感兴趣的挥发性有机化合物分析物时的透射率差异来确定吸光度。 微型光谱仪将实现大规模并行识别和高通量分析。这项研究的更广泛影响是能够以高灵敏度和特异性对地下水、饮用水和废水中的多种挥发性有机化合物 (VOC) 进行连续、远程、原位监测和独特识别,这是一种非传统的设施。目前可商用。 集成硅平台可确保低成本大批量生产。从商业角度来看,联合国环境规划署估计,到2020年,全球水市场将从目前的2500亿美元扩大到6600亿美元。所提出的光子晶体缝隙波导器件预计将在该市场中占据重要地位。 所提出的多功能技术的通用设计意味着可以在低成本的芯片实验室平台上实现原位分析物传感、检测和光谱学的多个领域,例如食品、空气、水质和健康的控制的所有权。 通过连续、原位和远程监测,该研究开发的原型将消除目前工业水监测中存在的滞后时间,有时会像河流和湖泊的VOC监测那样延长几个月,从而实现虚假泄漏的早期预警和泄漏,而不是事后损害控制和调解,从而增强环境和国家安全。

项目成果

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