基于干涉结构的功能集成光波导芯片及其传感特性研究

发布时间：2020-11-16 11:50

　　 光开关、光集成器件广泛应用于日益迅速增长的光通信系统中。包含光放大器、光开光等波导器件的有源集成光波导芯片是光互联网络中可重构型光交叉复用模块的主要组成部分,在光通信、光传感领域中受到了广泛关注。在过去的几十年中,光学传感技术在环境和工业监测以及医疗保健(例如疾病诊断和生物医学)应用领域取得了重大进展。集成光波导生物传感器因为其超小型尺寸,高灵敏度,无标签检测,样品消耗量低,抗电磁干扰,制造过程与CMOS技术兼容可实现低成本的大规模制造等优点而被广泛研究,同时也可以与其他设备如光源,检测器和微流控单元集成在同一芯片上实现低成本、可便携、用于现场测试应用的芯片实验室模块。基于这种研究方向和目的,本论文设计了有源集成型光波导芯片,对制备器件的材料特性以及器件结构设计流程分别进行了介绍,并对最终设计的折射率传感型器件的传感特性进行了分析与研究。1.基于光波导模式理论,对非对称三层平板波导的特征方程进行了分析,利用有效折射率法对矩形波导导模特征方程进行了推导,计算了脊型波导结构模式,分析传感型波导器件结构,介绍了光波导器件实现传感功能的工作原理,即消逝场原理。阐述了热光效应的工作形式及其原理,对马赫曾德尔干涉(MZI)型波导器件的结构进行了介绍,分析了光开关器件的工作原理。对基于干涉结构的波导器件进行了分析,介绍了基于多模干涉(MMI)结构的光波导器件的工作方式,并对其实现折射率传感功能的工作原理进行了阐述。2.提出了新型基于介质加载表面等离子体激元极化波导(DLSPPW)结构的全聚合物热光开关阵列器件。利用光学仿真软件对器件的设计尺寸进行了优化,低损耗氟化光敏聚合物(FSU-8/FBPA-PC EP)和有机-无机接枝改性PMMA材料被分别用作聚合物波导的芯层和包层。对材料的制备流程进行了详细的介绍,表征了材料的光学和热学特性,测得了材料较低的吸收损耗和优良的热稳定性。通过截断法测得4μm宽的DLSPPW的传输损耗为0.55 dB/cm。器件的插入损耗约为4.5dB。开关器件在施加200 Hz方波电压的条件下,上升和下降时间分别为287μs和370μs。驱动功率为5.6mW,消光比为13.5 dB。结构设计灵活、低损耗的多功能波导型光开关阵列适合实现大规模的光电集成电路。金属表面等离子体模式的敏感特性以及在测试过程中获得的对波长敏感的微小电流现象使得DLSPPW结构在实现多功能集成传感和生物医学应用等方面表现得更具研究意义。3.设计了具有损耗补偿功能的聚合物MZI结构的热光开关器件,选择低损耗的氟化光敏聚合物作为波导芯层材料,掺铒共聚物(GETPM)材料作为波导上包层材料,在减小器件损耗的同时,可以实现对器件损耗的补偿功能。介绍了制备器件所需的材料GETPM的制备方法及特性表征,例如玻璃态转变温度、热失重温度、不同掺杂含量的GETPM的吸收谱以及发射谱特性等等。对FSU-8/FBPA-PC EP材料的特性、开关器件的理论设计和工艺制备等方面进行了优化,并对开关性能进行了详细分析和测试,测得FSU-8/FBPA-PC EP和GETPM材料的热光系数分别是-1.85×10~(-4)℃~(-1)和-1.65×10~(-4)℃~(-1)。通过不同掺杂浓度的FSU-8/FBPA-PC EP的不同折射率,计算波导结构的有效折射率。优化波导、电极尺寸,设计热光开关器件结构。测试开关器件,得到方波电压500 Hz条件下的开关响应,上升和下降时间分别为396和461μs。插入损耗约为6dB,消光比为14dB,驱动功率约为6.5 mW。在1530nm处测得器件最大的相对光增益为1.9dB,可以实现对器件的损耗补偿功能。4.在上述两部分材料性能、结构优化和实验测试的基础上,提出了结构更加简单的基于金属包层定义波导结构的有源功能集成光波导芯片,对器件中光放大器,光开关和传感区结构进行了优化设计。阐述了金属包层定义型波导器件的设计思路和模拟分析,详细分析了该结构的波导模式,用光学仿真软件对MMI结构的光开关及光放大器进行了优化设计,并对器件进行了制备与测试分析。给出了器件制备详细的工艺流程,精确控制各个参数,包括制备所需材料,制备条件,实验设备等等。对直波导光放大器的部分和MMI型热光开关的部分分别进行了测试,当输入信号光功率为1mW时,测得光放大器最大的相对增益为3.6dB。对于MMI型热光波导开关部分,通过施加频率为300 Hz的方波电压测到热光响应,上升和下降时间分别为511和341μs。消光比为20 dB,开关功率为23.5mW。对金属包层定义型波导器件的传感区结构进行了设计与测试,以浓度为20mg/L的中药材料贝母甲素的有效折射率作为参照点设计了器件传感区结构的各个参数,优化了器件结构。器件灵敏度为2×10~3 RIU~(-1),分辨率和检测极限分别为2.5×10~(-4)和1.3×10~(-7) RIU。器件在对应于输出光功率5dB的范围内可以实现对贝母甲素的浓度范围(10-25 mg/L)有效地检测。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN252
【部分图文】：

图 1.1 光波导传感器分类示意图1.基于 MZI 结构的光波导传感器[27]：MZI 波导结构是广泛应用于生化传感的波导结构之一，器件结构如图 1.2 所示，选择其中一个分支波导作为参考臂，另一个分支波导作为传感臂。测试器件时，两臂之间的相位差因待测物改变时，输出信号的强度或谐振波长的改变反映了待测物的信息，例如种类或者浓度。器件的传感机理是待测物发生改变时，传感臂波导的折射率随之发生变化，从而使得通过传感臂的光程发生对应的变化，而光相移变化的产生随之而来的则是输出端光强发生变化，通过检测输出端光强而得到待测物的信息。在消逝波检测过程中，可以将受体层固定到芯层的表面上。为了提高灵敏度，干涉仪之间需要较高的芯包层的折射率差，通过生物分子相互作用引起消逝场区域巨大的有效折射率变化。

图 1.1 光波导传感器分类示意图1.基于 MZI 结构的光波导传感器[27]：MZI 波导结构是广泛应用于生化传感的波导结构之一，器件结构如图 1.2 所示，选择其中一个分支波导作为参考臂，另一个分支波导作为传感臂。测试器件时，两臂之间的相位差因待测物改变时，输出信号的强度或谐振波长的改变反映了待测物的信息，例如种类或者浓度。器件的传感机理是待测物发生改变时，传感臂波导的折射率随之发生变化，从而使得通过传感臂的光程发生对应的变化，而光相移变化的产生随之而来的则是输出端光强发生变化，通过检测输出端光强而得到待测物的信息。在消逝波检测过程中，可以将受体层固定到芯层的表面上。为了提高灵敏度，干涉仪之间需要较高的芯包层的折射率差，通过生物分子相互作用引起消逝场区域巨大的有效折射率变化。

吉林大学博士学位论文42.基于光栅结构的光波导传感器[28]：光栅型光波导传感器的器件结构如图1.3 所示，将周期性光栅结构通过干法或者湿法刻蚀的工艺流程制备在波导的表面或其侧壁上。光栅型波导传感器结构一般适用于对待测物体折射率的测量，引入的待测物会改变波导传输光的耦合状态，然后改变传感器最终的输出光强或者光谱。其中短周期光栅将信号反射回输入端，长周期光栅则是将信号光耦合到包层中耗散掉。图 1.3 光栅结构光波导传感器3.基于狭缝结构的光波导传感器[29]：狭缝波导结构，一般都是采用无机材料来制备。两条平行的无机波导间距达到纳米量级时，其对应的光场中有很大一部分将集中在波导之间的狭缝中传输。而狭缝波导结构中的光场与待测物接触会非常充分，这使得基于狭缝结构的光波导传感器的灵敏度较高。图 1.4 所示是狭缝结构的传感型器件的结构示意图。
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本文编号：2886191