基于硅纳米线波导微腔的光学多参数传感器研究
发布时间：2020-07-31 10:58
【摘要】：人类如今正在全面进入信息化、智能化社会的“大数据时代”,传感器技术作为信息化社会的“感官”,同时也是现代信息产业的三大核心支柱技术之一,在过去十几年的时间里得到了飞速而迅猛的发展,各类测量温度、折射率、湿度、分子浓度、应力等物理、化学、生物参量的光学传感器在环境检测、医疗诊治、安保安防及航空航天等诸多领域得到了非常广泛的应用。硅基集成光子器件因其超小的器件尺寸,极低的片上传输损耗,同传统半导体产业中的CMOS工艺相兼容以及大规模低成本制造的潜力等,近年已经成为集成光学领域最具有前景的热点方向,并在光互连、光通信及光传感等方面得到了广泛的应用。光学传感器在实际应用过程中往往需要克服不同外部环境参数交叉影响的问题,本文基于硅基光子集成器件平台,分别提出并设计了基于硅基微环谐振腔与硅基一维光子晶体纳米梁谐振腔的集成型多参数传感器件,通过将相应器件应用于温度、折射率和湿度传感测量,实现了对不同外部环境参数的同时传感检测。首先,本文介绍了平面光波导的基本理论和常用的数值仿真计算方法,阐述了硅纳米线波导的基本特性及微环谐振腔与光子晶体纳米梁谐振腔的基本特性。此外介绍了制作硅基集成光子器件的光刻胶旋涂、电子束曝光、干法刻蚀等主要工艺流程。然后,提出了利用硅纳米线波导的TE偏振与TM偏振进行双参数传感的技术思路,设计了硅基双偏振微环谐振腔,通过对波导宽度与耦合区结构尺寸的合理设计,实现了对微环谐振腔中TE基模与TM基模的同时、有效激发,在此基础上利用NaCl水溶液对器件的性能指标参数进行了测试标定,拟合得到的折射率灵敏度为319±14nm/RIU和104±3nm/RIU,温度灵敏度为34.1±0.7pm/℃和78.7±0.5pm/℃,验证了器件对折射率和温度进行同时传感测量的功能。接着,提出了利用硅基一维光子晶体纳米梁谐振腔的空气模式与介质模式进行双参数传感的技术思路,设计了硅基级联耦合型光子晶体纳米梁谐振腔,通过对空气模式纳米梁腔和介质模式纳米梁腔的合理设计,同时实现了对两种谐振腔的分别激发和谐振,在此基础上利用葡萄糖水溶液对器件的性能指标参数进行了测试标定,拟合得到的折射率灵敏度为254.6±9.2nm/RIU和 105.5±3.1nm/RIU,温度灵敏度为30.1 ±0.4pm/℃和56.4 ±0.5pm/℃验证了器件对折射率和温度进行同时传感测量的功能。最后,对提出的硅基双偏振微环谐振腔进行了适当调整,探索了将聚乙烯醇旋涂到硅基基片表面作为薄膜上包层的实验工艺,在此基础上通过测试初步验证了器件对湿度和温度进行传感测量的功能。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212
【图文】：
研究中使用了邋ＳＰＲ传感技术［４］。到了邋１９９０年代，随着技术的不断成熟，Ｈｏｒｉｂａ、ＳｅｎｓｉＱ、逡逑ＢｉＯｐｔｉｘ和Ｓｅｎｓａｔａ等公司陆续推出了商用化的ＳＰＲ传感检测产品。目前在ＳＰＲ传感技术逡逑中，激发表面等离子波的耦合技术主要有如图１．１所示的棱镜耦合、光栅耦合和波导耦合逡逑三种［５］。在这三种耦合方式之中，棱镜耦合因其设计加工方便、结构简单可靠及检测精度逡逑高等优点而在ＳＰＲ传感研究和商用化产品中得到了最为广泛的应用。逡逑Ｌｉｇｈｔ逡逑Ｌｉ９ｈｔ逦Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逦、逡逑７＼ｌ邋／邋Ｊ逡逑４ｉｎｉ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．１邋ＳＰＲ传感器的主要耦合方式［５］：邋（ａ）棱镜耦合；（ｂ）光栅耦合和（ｃ）棱镜耦合。逡逑尽管ＳＰＲ传感具有探测精度高、实时动态性能好和易于同其它技术连用的优点，但逡逑是对于精密光学机械结构的依赖、体积大难以实现便携化以及难以大规模生产制造等缺点逡逑也限制了其更大范围的应用。逡逑１．１．２光纤传感简介逡逑光纤，是利用光的全内反射原理制作的一种具有圆柱形波导结构的光导纤维，其最常逡逑用的材料为石英破璃。一般光纤结构从其几何圆柱形中心由内至外可以分为纤芯、包层和逡逑涂覆层三层结构。光纤纤芯为经一定程度杂质掺杂以获得较高折射率的光传输层，其直径逡逑２逡逑
图１．２光纤传感原理示意图逡逑光纤传感的本质是将光纤作为媒介来感应外部环境参量的变化。光纤传感的基本原理逡逑示意图如图１．２所示，当入射光信号进入光纤后，光纤将外部环境参量（如温度、折射率逡逑和应力等）的变化直接或间接地作用于在其内部传输的电磁场，使其相位、振幅、偏振或逡逑波长等特征参数改变并将改变后的信息传递输出，再在接收端使用相应的解调设备解调输逡逑出光信号进而反演出光纤所经历的外部环境参量变化情况。在上世纪八十年代，基于光波逡逑干涉原理的光纤陀螺仪［７］、光纤水听器［８］、光纤应变仪１９１等新型军用探测设备的相继问世逡逑极大地推动了光纤传感技术的发展。经过数十年来理论和技术的不断深入和完善，逐步形逡逑成了针对传输光信号相位、振幅、偏振或波长等的多种类光纤传感技术，并借助不同的原逡逑理和结构，实现了对物理、化学和生物诸多参量的传感测量ｌｌｔＭ２］。如今的光纤传感器大致逡逑可以分为干涉型光纤传感器、光纤光栅传感器和特种光纤传感器三大类。逡逑干涉型光纤传感器在外部环境参量的变化作用于传感探测部位时会引起光信号的相逡逑位或光程发生变化，通过检测干涉光信号相位或光程变化引起的输出效果（通常为光强度）逡逑变化
＼ｊ逡逑Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ邋Ｂｅｎｄｉｎｇ逡逑图１．２光纤传感原理示意图逡逑光纤传感的本质是将光纤作为媒介来感应外部环境参量的变化。光纤传感的基本原理逡逑示意图如图１．２所示，当入射光信号进入光纤后，光纤将外部环境参量（如温度、折射率逡逑和应力等）的变化直接或间接地作用于在其内部传输的电磁场，使其相位、振幅、偏振或逡逑波长等特征参数改变并将改变后的信息传递输出，再在接收端使用相应的解调设备解调输逡逑出光信号进而反演出光纤所经历的外部环境参量变化情况。在上世纪八十年代，基于光波逡逑干涉原理的光纤陀螺仪［７］、光纤水听器［８］、光纤应变仪１９１等新型军用探测设备的相继问世逡逑极大地推动了光纤传感技术的发展。经过数十年来理论和技术的不断深入和完善，逐步形逡逑成了针对传输光信号相位、振幅、偏振或波长等的多种类光纤传感技术，并借助不同的原逡逑理和结构，实现了对物理、化学和生物诸多参量的传感测量ｌｌｔＭ２］。如今的光纤传感器大致逡逑可以分为干涉型光纤传感器、光纤光栅传感器和特种光纤传感器三大类。逡逑干涉型光纤传感器在外部环境参量的变化作用于传感探测部位时会引起光信号的相逡逑位或光程发生变化
本文编号：2776385
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212
【图文】：
研究中使用了邋ＳＰＲ传感技术［４］。到了邋１９９０年代，随着技术的不断成熟，Ｈｏｒｉｂａ、ＳｅｎｓｉＱ、逡逑ＢｉＯｐｔｉｘ和Ｓｅｎｓａｔａ等公司陆续推出了商用化的ＳＰＲ传感检测产品。目前在ＳＰＲ传感技术逡逑中，激发表面等离子波的耦合技术主要有如图１．１所示的棱镜耦合、光栅耦合和波导耦合逡逑三种［５］。在这三种耦合方式之中，棱镜耦合因其设计加工方便、结构简单可靠及检测精度逡逑高等优点而在ＳＰＲ传感研究和商用化产品中得到了最为广泛的应用。逡逑Ｌｉｇｈｔ逡逑Ｌｉ９ｈｔ逦Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ逦、逡逑７＼ｌ邋／邋Ｊ逡逑４ｉｎｉ逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．１邋ＳＰＲ传感器的主要耦合方式［５］：邋（ａ）棱镜耦合；（ｂ）光栅耦合和（ｃ）棱镜耦合。逡逑尽管ＳＰＲ传感具有探测精度高、实时动态性能好和易于同其它技术连用的优点，但逡逑是对于精密光学机械结构的依赖、体积大难以实现便携化以及难以大规模生产制造等缺点逡逑也限制了其更大范围的应用。逡逑１．１．２光纤传感简介逡逑光纤，是利用光的全内反射原理制作的一种具有圆柱形波导结构的光导纤维，其最常逡逑用的材料为石英破璃。一般光纤结构从其几何圆柱形中心由内至外可以分为纤芯、包层和逡逑涂覆层三层结构。光纤纤芯为经一定程度杂质掺杂以获得较高折射率的光传输层，其直径逡逑２逡逑
图１．２光纤传感原理示意图逡逑光纤传感的本质是将光纤作为媒介来感应外部环境参量的变化。光纤传感的基本原理逡逑示意图如图１．２所示，当入射光信号进入光纤后，光纤将外部环境参量（如温度、折射率逡逑和应力等）的变化直接或间接地作用于在其内部传输的电磁场，使其相位、振幅、偏振或逡逑波长等特征参数改变并将改变后的信息传递输出，再在接收端使用相应的解调设备解调输逡逑出光信号进而反演出光纤所经历的外部环境参量变化情况。在上世纪八十年代，基于光波逡逑干涉原理的光纤陀螺仪［７］、光纤水听器［８］、光纤应变仪１９１等新型军用探测设备的相继问世逡逑极大地推动了光纤传感技术的发展。经过数十年来理论和技术的不断深入和完善，逐步形逡逑成了针对传输光信号相位、振幅、偏振或波长等的多种类光纤传感技术，并借助不同的原逡逑理和结构，实现了对物理、化学和生物诸多参量的传感测量ｌｌｔＭ２］。如今的光纤传感器大致逡逑可以分为干涉型光纤传感器、光纤光栅传感器和特种光纤传感器三大类。逡逑干涉型光纤传感器在外部环境参量的变化作用于传感探测部位时会引起光信号的相逡逑位或光程发生变化，通过检测干涉光信号相位或光程变化引起的输出效果（通常为光强度）逡逑变化
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【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 郭士亮;胡春海;李欣;王文娟;;串联双微环湿度传感器光谱特性研究[J];光谱学与光谱分析;2014年11期
2 肖沛,孙霞,闫继红,丁泽军;电子束光刻中邻近效应校正的几种方法[J];电子显微学报;2005年05期
本文编号：2776385
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