基于微纳光纤的一维光子晶体微腔设计及其传感应用研究
发布时间：2022-01-24 23:24
一维光子晶体传感器具有优异集成性,高传输效率和低能量损耗等优势,但目前大部分研究都基于硅波导平台,其耦合方式复杂,成本高昂,阻碍了其在实际实验和应用中的发展。利用微纳光纤平台可以有效地解决耦合问题,但目前国际上相关研究的传感性能都不理想。本文针对上述问题,提出了一种基于微纳光纤的一维光子晶体传感模型,具体研究工作和创新点为:第一,结合了微纳光纤平台耦合便捷、成本低廉的优势与一维光子晶体设计灵活、控光能力强的特点,提出了一种传感性能优越的基于微纳光纤的一维光子晶体传感模型。并利用时域有限差分法等理论仿真方法,研究了其能带结构、光场分布、透射强度等光学特性,重点研究了传感性能和气体传感上的应用;第二,基于所提出的一维光子晶体传感模型,提出了一种全新的基于微纳光纤的一维光子晶体传感阵列模型。它采用了一维光子晶体带阻滤波器来实现若干通道之间的频段独立,并采用了微纳光纤光分束器和光合成器来耦合光信号。最终实现了在单输入单输出端口情况下同时监测七路传感信号的功能。重点研究了传感应用场景,其平均传感灵敏度达到了666.57纳米/折射率,适用于各种复用传感的应用场景。
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?一维、二维、三維光子晶体结构示意图??
?ｔｗｏ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ｔｈｒｅｅ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ??图１－１?一维、二维、三維光子晶体结构示意图??—维光子晶体由两种介电常数不同的两种介质在单一方向上交替堆叠而成，??如图１－１?（ａ）所示；而二维光子晶体结构如图１－１?（ｂ）所示，是介电常数在二维??平面内呈周期性排列而成的结构；三维光子晶体则由两种介电常数不同的介质在??三维空间内周期性分布，如图１－１?（ｃ）所示。可以看出，介电常数的周期性排列??是光子晶体结构的特性，而其周期性的不同分布则使之区分为一维光子晶体、二??维光子晶体和三维光子晶体。??目前，由于制备工艺的复杂度较高，三维光子晶体相关的研究和应用都比较??有限，而随着相关制备技术（如聚焦离子束刻蚀，电子束刻蚀等技术）的逐渐进??步，大部分研宄者都将目光投向了一维光子晶体以及二维光子晶体的相关研究。??例如
电网格和磁网格，其中电网格一般意义上是最经常使用的时域有限差分网格。??按照Ｙｅｅ的定义，对于电网格，电网格单元棱边与电场采样重合，磁场采样??与电网格面应位于电网格面中心位置且相互垂直，如图２－１?（ａ）所示。而对于磁??网格，其分布也类似，即磁网格单元棱边与磁场采样重合，而电场采样则位于磁??网格面中心位置并与磁场采样垂直，二者的空间相对关系如图２－１?（ｂ）所示。??ａ：产－、元??ｚ?ｙ?岑?电＾元雩？？丄??图２－１差分格式中电场和磁场的空间位置Ｗ２］??本文假定电场均匀分布在电网格单元棱边，且均匀分布在磁网格单元面上时，??便可以得到以采样点为中心的脉冲函数，这就是时域有限差分中的基函数。而磁??场中的基函数与此类似，只是主体变成了磁场。本文假定在ｎＡ／时刻进行电场的??釆样，并假定在到（ｎ?＋?ｌ／２）Ａ，内的时间内电场保持均匀，而在到??（？?＋?〇△／内的时间内磁场保持均匀。当介质的电损耗和磁损耗都存在时，麦克斯??韦旋度方程可以表示为如下形式：??▽?ｘ?帅
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sensing of microparticles based on a broadband ultrasmall microcavity in a freely suspended microfiber[J]. YANG YU,TING-HUI XIAO,HONG-LIAN GUO,ZHI-YUAN LI. Photonics Research. 2017(03)
[2]Compact, submilliwatt, 2 × 2 silicon thermo-optic switch based on photonic crystal nanobeam cavities[J]. HUANYING ZHOU,CIYUAN QIU,XINHONG JIANG,QINGMING ZHU,YU HE,YONG ZHANG,YIKAI SU,RICHARD SOREF. Photonics Research. 2017(02)
[3]光子晶体制备及其应用研究进展[J]. 宋明丽,王小平,王丽军,陈海将,廉吉庆,柯小龙,宁仁敏. 材料导报. 2016(07)
[4]基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究[J]. 陈颖,石佳,曹会莹,韩洋洋,朱奇光,毕卫红. 光学学报. 2015(11)
[5]光子集成技术及产业发展研究[J]. 吴冰冰,赵文玉,张海懿. 电信科学. 2015(01)
[6]光子晶体的研究及其在传感器中的应用[J]. 张文毓. 传感器世界. 2014(09)
[7]硅基光子集成研究进展[J]. 周培基,李智勇,俞育德,余金中. 物理学报. 2014(10)
[8]Design of a fiber polarizer based on an asymmetric dual-core photonic crystal fiber[J]. 孙兵,陈明阳,于荣金,张永康,周骏. Optoelectronics Letters. 2011(04)
本文编号：3607486
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?一维、二维、三維光子晶体结构示意图??
?ｔｗｏ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ｔｈｒｅｅ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ??图１－１?一维、二维、三維光子晶体结构示意图??—维光子晶体由两种介电常数不同的两种介质在单一方向上交替堆叠而成，??如图１－１?（ａ）所示；而二维光子晶体结构如图１－１?（ｂ）所示，是介电常数在二维??平面内呈周期性排列而成的结构；三维光子晶体则由两种介电常数不同的介质在??三维空间内周期性分布，如图１－１?（ｃ）所示。可以看出，介电常数的周期性排列??是光子晶体结构的特性，而其周期性的不同分布则使之区分为一维光子晶体、二??维光子晶体和三维光子晶体。??目前，由于制备工艺的复杂度较高，三维光子晶体相关的研究和应用都比较??有限，而随着相关制备技术（如聚焦离子束刻蚀，电子束刻蚀等技术）的逐渐进??步，大部分研宄者都将目光投向了一维光子晶体以及二维光子晶体的相关研究。??例如
电网格和磁网格，其中电网格一般意义上是最经常使用的时域有限差分网格。??按照Ｙｅｅ的定义，对于电网格，电网格单元棱边与电场采样重合，磁场采样??与电网格面应位于电网格面中心位置且相互垂直，如图２－１?（ａ）所示。而对于磁??网格，其分布也类似，即磁网格单元棱边与磁场采样重合，而电场采样则位于磁??网格面中心位置并与磁场采样垂直，二者的空间相对关系如图２－１?（ｂ）所示。??ａ：产－、元??ｚ?ｙ?岑?电＾元雩？？丄??图２－１差分格式中电场和磁场的空间位置Ｗ２］??本文假定电场均匀分布在电网格单元棱边，且均匀分布在磁网格单元面上时，??便可以得到以采样点为中心的脉冲函数，这就是时域有限差分中的基函数。而磁??场中的基函数与此类似，只是主体变成了磁场。本文假定在ｎＡ／时刻进行电场的??釆样，并假定在到（ｎ?＋?ｌ／２）Ａ，内的时间内电场保持均匀，而在到??（？?＋?〇△／内的时间内磁场保持均匀。当介质的电损耗和磁损耗都存在时，麦克斯??韦旋度方程可以表示为如下形式：??▽?ｘ?帅
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sensing of microparticles based on a broadband ultrasmall microcavity in a freely suspended microfiber[J]. YANG YU,TING-HUI XIAO,HONG-LIAN GUO,ZHI-YUAN LI. Photonics Research. 2017(03)
[2]Compact, submilliwatt, 2 × 2 silicon thermo-optic switch based on photonic crystal nanobeam cavities[J]. HUANYING ZHOU,CIYUAN QIU,XINHONG JIANG,QINGMING ZHU,YU HE,YONG ZHANG,YIKAI SU,RICHARD SOREF. Photonics Research. 2017(02)
[3]光子晶体制备及其应用研究进展[J]. 宋明丽,王小平,王丽军,陈海将,廉吉庆,柯小龙,宁仁敏. 材料导报. 2016(07)
[4]基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究[J]. 陈颖,石佳,曹会莹,韩洋洋,朱奇光,毕卫红. 光学学报. 2015(11)
[5]光子集成技术及产业发展研究[J]. 吴冰冰,赵文玉,张海懿. 电信科学. 2015(01)
[6]光子晶体的研究及其在传感器中的应用[J]. 张文毓. 传感器世界. 2014(09)
[7]硅基光子集成研究进展[J]. 周培基,李智勇,俞育德,余金中. 物理学报. 2014(10)
[8]Design of a fiber polarizer based on an asymmetric dual-core photonic crystal fiber[J]. 孙兵,陈明阳,于荣金,张永康,周骏. Optoelectronics Letters. 2011(04)
本文编号：3607486
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