基于高性能分束器与光子晶体微腔集成的传感复用性能研究

发布时间：2020-10-24 20:09

　　 由于高灵敏度、高通量以及超紧凑等特性,基于光子晶体(Photonic Crystal,PhC)的无标签传感技术在生物医学研究、人体健康、药物以及环境安全等方面具有潜在应用。PhC是一种由折射率(Refractive Index,RI)差异较大的低损耗介质周期性排列而成的材料,该结构能够限制光在特定方向进行传输从而使结构的光学特性对RI的改变非常敏感。由于目标分析物与光的相互作用会引起局部RI的改变,使得PhC能够用于传感性能的研究。本文以PhC平板为研究对象,利用平面波展开法(Plane Wave Expansion,PWE)研究不同维度以及缺陷的PhC结构的能带特性,同时利用时域有限差分方法(Finite-difference time-domain method,FDTD)研究不同维度和缺陷的PhC微腔的局域特性,光场分布特性以及传输特性,并分析不同PhC结构的传感特性。基于以上的研究思路,首先对一维(one dimensional,1D)和二维(two dimensional,2D)PhC平板结构的不同微腔模型以及微环谐振腔激光器模型进行分析与研究,并对每一种微腔的传感性能进行分别地探索与测试,得出不同的高性能PhC微腔以及微环谐振腔激光器传感器模型。其次,为了实现阵列传感模型,通过对2D-PhC平板结构的不同弯曲波导进行分析与研究,获得了高性能PhC分束器模型。最终,将高性能分束器与PhC微腔传感器进行并行集成,从而实现高性能的PhC阵列传感复用模型。本文的主要研究工作包括以下内容:(1)提出了高品质因子和高灵敏度的PhC微腔传感器模型以及微环谐振激光器的远程传感器模型。首先设计基于2D-PhC平板的H2微腔模型,通过改变微腔两侧空气孔的位移和尺寸,从而获得了高透射率以及高消光比的谐振峰。通过对H2微腔周围不同空气孔个数的填充获得了最优化的折射率灵敏度。其次,基于优化的H2微腔内添加一个空气孔,通过调节空气孔半径实现了高品质因子的微腔。由于施压压力将会引起PhC微腔的几何形变,从而实现压力传感的性能。利用仿真计算,能够获得超低的压力检测。此外,为了实现更高品质因子的微腔,通过移动L3微腔两侧空气孔的位移从而获得高品质因子。最后,为了实现同时的高灵敏度与高品质因子的微腔,提出了两种基于lD-PhC平板的纳米束纳米槽微腔的设计方法。首先利用尝试法对能带、场图以及透射进行重复仿真与分析获得了高品质因子。利用脊波导与纳米束纳米槽结构的输入与输出端进行耦合,从而增强了光与微腔的耦合效率,获得了高灵敏度。其次利用决定性方法只对能带进行分析与计算,并将空气孔半径进行二次方渐变获得高达107的品质因子。将传感器模型浸入在不同折射率的液体中从而获得了灵敏度为415nm/RIU,并且传感器模型的尺寸只有11.2μm×0.8μm。此外,通过在微环谐振腔中分别添加R6G掺杂的SU-8和TZ-001的芯层材料从而形成微环激光器。利用空间光直接激发微环激光器产生激光用于折射率传感性能检测。在培养皿中重复添加水或者柠檬水溶液,R6G掺杂的SU-8和TZ-001的微环激光器的灵敏度与探测极限分别被评估。(2)提出了超宽带高透射率的PhC弯曲波导以及分束器模型。首先基于PhC平板的60°弯曲波导,通过改变波导弯曲部分的空气孔大小与位移,实现了宽带范围内的高透射率的性能。基于以上优化的60°弯曲波导,通过将四个弯曲波导进行并行集成实现了 1×4的宽带高透射率的功率分束器模型。为了简化分束器设计的复杂性,通过在弯曲部分只引入三角形空气孔就能够实现宽带1×3的功率均分分束器模型。(3)提出了PhC分束器与PhC微腔集成的低串扰、高消光比以及高灵敏度的阵列复用传感器模型。首先,基于优化的1×4分束器与四个谐振峰相互独立的L3微腔集成实现了低串扰和高消光比的并行复用传感阵列。通过在微腔周围分别填充不同折射率的液体,从而实现了灵敏度分别为60.5nm/RIU,59.6nm/RIU,62.5nm/RIU和51.1nm/RIU。通过进一步的仿真计算,实现了低探测极限为1×10-4。其次,为了进一步提升阵列传感模型中单一传感器的灵敏度,将优化的1×3分束器,三个W1波导构成的带通滤波器,和三个具有独立谐振峰的耦合纳米线结构进行集成,实现了同时的高灵敏度的阵列传感复用模型。通过分别改变每个传感单元周围的折射率,计算的灵敏度分别为492nm/RIU,244nm/RIU和552nm/RIU。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;O734
【部分图文】：

北京邮电大学工学博士论文???１．２光子晶体传感器的研究概况??本小节将从光子晶体传感器的基本结构，研究现状，发展趋势，研宄内容??与目标、研宄意义以及研宄方法入手，详细地阐述光子晶体传感器的研究概况。??１．２．１光子晶体传感器的基本结构??首先介绍一下光子晶体的概念以及结构。光子晶体是指由不同折射率的材料??在空间周期性排列而构成的具有光子带隙结构的材料。然而落在光子带隙中的电??磁波不能传播，这是光子晶体具有的光子带隙效应。按照折射率在不同方向上的??排列能够将光子晶体分成一维光子晶体（ｌＤ－ＰｈＣ），二维光子晶体（２Ｄ－ＰｈＣ），??三维光子晶体（３Ｄ－ＰｈＣ），如下图所示［４２］：??

?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ??图１－１三种光子晶体的代表性结构示意图。不同的颜色代表具有不同介电常数的材料。二??维或者三維光子晶体结构通过每一种材料之间相同的距离排列而形成Ｗ］。??在ｌＤ－ＰｈＣ［４３］中，光仅仅在一个方向上进行折射率周期性变化的传输，例如??布拉格光栅就是一种ｌＤ－ＰｈＣ结构并被广泛用于垂直腔表面激发激光器（Ｖｅｒｔｉｃａｌ??ｃａｖｉｔｙ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ?ｌａｓｅｒｓ，ＶＣＳＥＬｓ）的设计。对于?２Ｄ－ＰｈＣ［４４＿４５］结构来说，??折射率的周期性变化在两个方向上并且第三个方向是不变的（假设变化在ｘ和ｙ??方向，ｚ方向不变）。在３Ｄ－ＰｈＣ［４６＿５４］结构中，折射率变化沿着三个方向（例如ｘ，??ｙ和ｚ方向）。３Ｄ－ＰｈＣ的想法由Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｃｈ和Ｊｏｈｎ提出，主要为了实现无限大??的品质因子（Ｑｕａｌｉｔｙ?Ｆａｃｔｏｒ，ｇ）和完全光子带隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ?Ｂａｎｄ?Ｇａｐ，ＰＢＧ）。??“木材堆”结构是目前制作的一种３Ｄ－ＰｈＣ结构，但是就设计而言，３Ｄ－ＰｈＣ结??构的制作仍然是非常有挑战性的。??－２－??

图１－３二维光子晶体微腔２Ｘ２激光器阵列的ＳＥＭ图，基于四个不同尺寸的Ｈ
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本文编号：2854926