光子晶体分束器与微腔传感器串并联复用稳定性研究

发布时间：2020-10-16 18:02

　　 光子晶体传感器因具有高灵敏度、超紧凑尺寸、易于集成等优势,在生化、压力、温度等传感领域有着较高的使用价值。基于光子晶体分束器与微腔传感器的复用结构设计为光子晶体大规模集成器件研究提供了可能。本文对光子晶体微腔传感器、光子晶体分束器及基于光子晶体分束器与微腔传感器的串并联复用结构进行了结构设计和性能分析,并对串并联复用结构的稳定性进行了初步分析。本文的研究成果主要包括如下几个方面:首先,提出了一种光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器结构,并分析了其传感性能。多小孔缺陷腔是在直接耦合H1微腔中引入六个直径远小于晶格常数的空气孔而成。通过改变小空气孔半径rmini及缺陷腔两侧空气孔沿x或-x方向移动的距离L,利用时域有限差分法对多小孔缺陷腔的品质因数Q进行优化。数值结果表明,最优化多小孔缺陷腔的品质因数Q大于7×104,同时灵敏度S可达233nm/RIU。接着通过观察传感器的传感质量灵敏度和折射率灵敏度S与传感区域变化的关系,最终确定了最佳传感区域。当最优化二维光子晶体多小孔缺陷直接耦合微腔传感器用最佳传感区域进行传感时,传感器的灵敏度S为213.4nm/RIU,传感器性能参数FOM大于104,较其他文献中的[1-5]直接耦合型微腔传感器提升了一个数量级。其次,基于光子晶体波导设计了一种光子晶体1×3分束器结构。该分束器结构的构成方法是:在光子晶体结构中引入光子晶体波导形成1×3分支通道,然后在各分支波导连接处引入合适角度和大小的三角形柱,用以有效地引导光进入各分支波导。通过改变分束器结构内两直角三角形柱的折射率n对光子晶体分束器的总输出功率进行了优化。研究结果表明,当两直角三角形柱的折射率n等于1.12时,光子晶体1×3分束器在1550nm处的总输出功率达到99.66%。研究发现,通过调整两直角三角形柱与水平中心线的垂直距离d,分束器可实现在指定频率点的功率均匀分配。以1550nm为例,本文优化设计后的光子晶体1×3分束器能在包括指定均分波长1550nm在内的6个工作波长处实现功率均匀分配,且三通道总输出功率均大于99%。此外,优化设计后的光子晶体1×3分束器在1538nm到1638nm的波长范围内三输出通道透射谱平稳,三通道间输出功率相差不大,可用于光子晶体集成传感复用。然后,基于前面设计的高性能光子晶体微腔传感器和高效率光子晶体1×3分束器结构,通过在光子晶体1×3分束器的三个并联输出通道分别串联一个最优化光子晶体多小孔直接耦合微腔传感器,本文提出了一种光子晶体分束器与微腔传感器串并联复用结构。三个多小孔微腔均采用最优化结构参数但晶格常数不同,从而使三个微腔均有最优的传感性能的同时具有不同的谐振频率。利用时域有限差分法研究发现,串并联复用结构三个传感单元的Q值分别为55724,55066,62039,折射率灵敏度 S 分别为 229nm/RIU,224nm/RIU,228nm/RIU。因此三个传感单元的FOM分别为8179,8000,9119,较其他串并联复用结构[6-7]均提升了一个数量级。此外,各多小孔缺陷微腔传感单元之间没有干扰,能够同步进行高性能传感检测,提高了检测效率和传感系统的集成度。最后,对本文提出的光子晶体分束器与微腔传感器串并联复用结构进行了初步的稳定性研究。仿真结果表明,当串并联复用结构的主要结构参数(rmini、L、d)有±5nm随机制作误差时,各多小孔缺陷腔的Q值约为4×104。相对标准串并联复用结构时有所降低,但相对其他直接耦合型微腔[1-5]和其他串并联复用结构[6-7]中的微腔依旧有大幅提升。三个多小孔缺陷微腔传感单元仍然能够互不干扰地同步进行折射率传感,其折射率灵敏度S分别为231nm/RIU,224nm/RIU,229nm/RIU,较标准串并联复用结构时稍有增加。三个传感器的传感性能参数FOM相差不大,分别为5775,5600,5725,相对正常参数时FOM8000有所降低,但相对于其他串并联复用结构[6-7]的FOM也提升了一个数量级。此外,当串并联复用结构的主要结构参数(rmini、L、d)有±5nm随机制作误差时,其相对标准串并联复用结构的各谐振峰波长偏移距离很小,均在2nm以内。总之,当本文设计的光子晶体分束器与微腔传感器串并联复用结构的主要结构参数(rmini、L、d)有±5nm随机制作误差时,串并联复用结构的性能能够保持相对稳定,各多小孔缺陷微腔传感器能够互不干扰地同步进行高性能传感检测,可应用于进一步的实验传感检测研究。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734;TP212
【部分图文】：

图１－２?—維、二維、三维光子晶体结构示意图［２２］??根据电介质排布方式的不同，光子晶体有一维、二维、三维之分，具体结构??示意图如图１－２所示。一维光子晶体是将不同介电常数的两种电介质在一维空间??交替排列而成；二维光子晶体则是将不同介电常数的两种电介质在二维空间交替??排列而成，二维光子晶体的典型结构是在空气背景中由一些圆的或方的介质柱排??列成三角晶格或四方晶格，或者由空气孔在介质背景中规则陈列构成，？将不同介??２??

１４７ｎｍ，娃板厚度?ｒ＝?２４０ｎｍ??２．１．２二维完美光子晶体结构性能分析??图２－２是利用Ｒｓｏｆｔ的Ｂａｎｄｓｏｌｖｅ模块，通过平面波展开法计算得到的图２－１??所示完美光子晶体结构在ＴＥ极化下的能带结构图。图２－２的纵轴表示归一化频??率ｇ／Ａ。可以看到，该完美光子晶体结构的光子带隙ＰＢＧ范围为０．２５７？０．２３４，??对应的波长范围是１３５０ｎｍ至１７９０ｎｍ，４４０ｒａｎ宽的禁带范围可以用作传感结构??设计。??完美光子晶体ＴＥ模能带结构??０．６?????？?０．５??Ｉ！????！?０．３?４??ｉｔ?〇．ｉ??０．。＾＾???ｒ?Ｋ??图２－２二维完美光子晶体结构的能带结构图??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ仿真软件是一种基于时域有限差分法的商业仿真软件。本文使用??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ的ＦＤＴＤ模块对光子晶体的电场分布、透射谱、２值等进行仿真分析。??图２－３是用Ｍａｔｌａｂ绘制的利用；ＦＤＴＤ方法计算得到的图２－１中完美光子晶体结??构的透射曲线。??１１??

?丨丨丨丨丨丨丨ｆｉ＿＿＿ｉｊ？ｉｍｉｉｉｉｉｉｉｗ＿ｉｉｉｉｍｉ＿ｉｍｉｉ????Ｉ??图２－１二維完美光子晶体结构示意图，其中晶格常数ａ?＝?４６０ｎｍ，空气孔半径ｒ?＝?０．３２ａ?＝??１４７ｎｍ，娃板厚度?ｒ＝?２４０ｎｍ??２．１．２二维完美光子晶体结构性能分析??图２－２是利用Ｒｓｏｆｔ的Ｂａｎｄｓｏｌｖｅ模块，通过平面波展开法计算得到的图２－１??所示完美光子晶体结构在ＴＥ极化下的能带结构图。图２－２的纵轴表示归一化频??率ｇ／Ａ。可以看到，该完美光子晶体结构的光子带隙ＰＢＧ范围为０．２５７？０．２３４，??对应的波长范围是１３５０ｎｍ至１７９０ｎｍ，４４０ｒａｎ宽的禁带范围可以用作传感结构??设计。??完美光子晶体ＴＥ模能带结构??０．６?????？?０．５??Ｉ！????！?０．３?４??ｉｔ?〇．ｉ??０．。＾＾???ｒ?Ｋ??图２－２二维完美光子晶体结构的能带结构图??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ仿真软件是一种基于时域有限差分法的商业仿真软件。本文使用??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ的ＦＤＴＤ模块对光子晶体的电场分布、透射谱、２值等进行仿真分析。??图２－３是用Ｍａｔｌａｂ绘制的利用；ＦＤＴＤ方法计算得到的图２－１中完美光子晶体结??构的透射曲线。??１１??
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 周兴平;疏静;;基于光子晶体自准直效应的新型1×3分束器[J];光学学报;2013年04期

本文编号：2843583