光子晶体马赫—曾德尔干涉结构参数优化与传感特性研究
本文选题:光子晶体传感器 + 二维光子晶体 ; 参考:《燕山大学》2016年硕士论文
【摘要】:光学传感器是多学科综合交叉的产物,其具有安全性高、检测速度快、操作简便等特点,已经被广泛应用于诸多领域。利用光子晶体的禁带特性和局域特性,可以控制光子的传播情况,制作性能突出的光子晶体传感器,实现对待测参数进行实时检测,其具有传输速度快,能量损耗低,传输频带宽,抗干扰能力强,信息容量大,响应速度快,体积小,集成度高,价格低廉等诸多优点,已经成为光学传感领域研究热点。因此,本文在研究光子晶体特性和光子晶体波导传输损耗理论基础上,围绕光子晶体波导马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构进行了设计以及优化,提出了光子晶体波导MZI传感器结构模型,并对其传感特性进行分析。主要研究工作如下:首先,利用平面波展开法和时域有限差分法(FDTD),研究完整光子晶体的禁带特性和缺陷态光子晶体的传输特性,提出光子晶体波导MZI的结构模型,分析了结构的传输特性,对光子晶体直波导和弯曲波导的传输损耗在理论和模拟上进行分析,进而对光子晶体波导MZI结构的传输损耗进行理论分析。其次,结合FDTD对光子晶体波导MZI传输特性进行数值模拟,用于BP神经网络训练,利用训练后的BP算法对光子晶体MZI结构参数进行优化,以得到最大归一化传输透射率的光子晶体波导MZI结构为目标,对结构的空气孔填充率进行优化。最后,采用优化之后的光子晶体波导MZI模型为基础,设计了单臂刻槽和双臂刻槽的光子晶体波导MZI传感器,分别对两种结构传感器的传感理论进行推导,采用生物样本溶液作为待测物,对两种结构的传感特性进行对比分析,最后得到传感性能优异的光子晶体波导MZI传感器。
[Abstract]:Optical sensor is a product of multi-disciplinary synthesis, which has been widely used in many fields because of its high safety, fast detection speed and easy operation. By using the band gap and local characteristics of photonic crystals, the propagation of photons can be controlled, and a photonic crystal sensor with outstanding performance can be made to detect the parameters in real time. It has the advantages of high transmission speed and low energy loss. Because of its advantages such as high bandwidth, strong anti-interference ability, large information capacity, fast response speed, small volume, high integration and low price, it has become a hot research topic in the field of optical sensing. Therefore, the structure of photonic crystal waveguide Mach Zehnder interferometer (MZI) is designed and optimized based on the study of photonic crystal characteristics and transmission loss theory of photonic crystal waveguide. The structure model of photonic crystal waveguide MZI sensor is presented and its sensing characteristics are analyzed. The main research work is as follows: firstly, using the plane wave expansion method and the finite difference time-domain (FDTD) method, the band gap characteristics of the complete photonic crystal and the propagation characteristics of the defect state photonic crystal are studied, and the structure model of the photonic crystal waveguide MZI is proposed. The transmission loss of photonic crystal direct waveguide and curved waveguide is analyzed theoretically and simulated, and the transmission loss of photonic crystal waveguide MZI structure is analyzed theoretically. Secondly, the propagation characteristics of photonic crystal waveguide MZI are numerically simulated with FDTD, which is used for BP neural network training. The structure parameters of photonic crystal MZI are optimized by the trained BP algorithm. Aiming at the MZI structure of photonic crystal waveguide with maximum normalized transmission transmittance, the air hole filling rate of the structure is optimized. Finally, based on the optimized MZI model of photonic crystal waveguide, the single-arm grooves and double-arm grooves are designed, and the sensing theories of the two kinds of sensors are deduced. The sensing characteristics of the two structures were compared and analyzed by using biological sample solution as the object to be tested. Finally, a photonic crystal waveguide MZI sensor with excellent sensing performance was obtained.
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP212
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