近红外波段光子晶体传感器件的研究
发布时间：2020-12-30 22:11
光子晶体是在1987年由John和Yablonovitch几乎同时提出的一种人工微结构。与利用全反射来实现对光子的引导传输不同,光子晶体结构提供了一种全新的导光机制,其通过周期性排列的电介质形成光子带隙,以实现对光子传输的引导和控制。由于其独特的光子带隙特性,光子晶体被应用于各类全光功能器件中,包括波导、滤波器、光纤、激光器、分束器以及传感器等。而光子晶体传感器由于其具有响应时间短、抗干扰能力强、体积小、易于集成等优点,在传感领域引起了极大关注。本文使用时域有限差分方法,基于二维准周期结构、周期结构光子晶体构建了多类缺陷体,通过研究缺陷体的模场空间分布,并比较不同缺陷模场之间的差异,提出了基于十二重准周期光子晶体的浓度渐变型传感器和蛋白质吸附型传感器,以及基于硅基、锗基开槽空气孔结构的多通道光子晶体传感器。我们所研究的基于十二重准周期光子晶体的浓度渐变型传感器和蛋白质吸附型传感器,是由半导体材料硅柱排列在可自由流动的液体环境中组成的。通过设计不同的缺陷体参数,使其灵敏度在不同工作条件下达到最高值,背景折射率变化的检测极限为8.75×10-5 RIU,蛋白质吸附厚度变化的检测极限为5 n...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１．光子晶体能带结构示意图??而一旦完整的周期性光子晶体结构被打破，即出现了缺陷态时，与缺陷态能量相吻??
根据组成光子晶体材料的周期性变化的维度，可以将光子晶体分为三种，如图２－２??所示：??１．一维光子晶体：材料介电常数的周期性变化只在一个维度上产生，在其他两个维??度上保持一致，可表示为两种不同介电常数的无限大平板、以一定厚度交替叠加，由于??介电常数只在一个方向上产生周期性变化，所以光子禁带也只存在于这一方向上。??２．二维光子晶体：介电常数在两个维度上产生周期性变化，在另外一个维度上保持??不变，可表示为介电常数不同、长度无限的长条周期性排列，由于介电常数在两个空间??方向均有周期性变化，所以在两个方向上均可产生光子禁带。??３．三维光子晶体：介电常数在三个维度上都形成周期性变化，可表示为介电常数不??同的小方块或小球在空间中交替排列，类似于魔方。三维光子晶体具有全方位的周期结??构，可在各个方向产生光子带隙。??１０?ｉＤ?３?卩??７／７??＿＿＿??（ｉ）?（ｂ）?如??＜ａ）—维光子晶体?（ｂ＞二线尤子晶体?（ｃ）三维光子晶体??图２－２．三种不同維度的光子晶体结构??２－２光子晶体的制备??自然界中存在着较为稀少的天然光子晶体，但是其产生的随机性导致其无法被用于??特定的场合，而光子晶体的带隙特性导致其每一种应用都需要特定的结构，由此需要利??用各种方法去人工制造光子晶体。近些年来，在科研人员的不断探索与努力下，已经积??累了许多对于光子晶体的制备方案，当前制备一维光子晶体的方法主要为各种成熟的镀??膜工艺方法，相对来说较为简单，这样能够获得较宽的完全带隙。而制备二维以及三维??光子晶体的技常用的制备方法有：机械钻孔法、半导体加工方法、全息光刻法、胶体晶??体自组装法、反蛋白石结构法等等
２－２－１机械钻孔法??精密加工法是最早被报道的人工制备光子晶体的方法，其具体使在介质材料上机械??钻孔或刻蚀，通过用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等方法，??形成介质材料与空气背景构成折射率变化的周期性变化，从而形成光子晶体结构。在??１９９１年，Ｙａｂｌ〇ｎ〇ｖｉｔＣｈ［４３］以此方法制作了世界上第一块带有完全光子带隙的三维光子晶??体，在一片折射率在３．６的ＧａＡｓ介质表面上，以偏离垂直法线三十五度从三个方向打??？Ｌ，各个孔之间的夹角为１２０°，如图２－３所示，孔直径约为１ｍｍ左右，空气孔与高??折射率基底材料呈现周期性的分布，对入射光波形成周期性调制，从而产生光子带隙，??他们也通过实验证明了其光子带隙的存在。??＼?ｆ?／??氣??＼＾＼??图２－３．机械钻孔法制备光子晶体Ｍ??机械钻孔法在光子晶体研宄初期成功制备出了光子晶体，但由于这种方法由于工艺??复杂，成本高昂，且所制得结构层数少，质脆、性能易受环境影响，虽然己有较成熟的??加工方法，其应用受到了较大的限制，目前很少再以这种方法来制备光子晶体。??２－２－２胶体晶体自组装法??由于胶体内部的静电作用以及范德华力，分散的胶体粒子的稀溶液会自发排列形成??面心立方和体心立方等有序结构，这种结构被称为胶体晶体。由于胶体晶体的晶格尺寸??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]准周期光子晶体的传输特性[J]. 王义全,关谷涵. 中央民族大学学报(自然科学版). 2007(02)
本文编号：2948382
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１．光子晶体能带结构示意图??而一旦完整的周期性光子晶体结构被打破，即出现了缺陷态时，与缺陷态能量相吻??
根据组成光子晶体材料的周期性变化的维度，可以将光子晶体分为三种，如图２－２??所示：??１．一维光子晶体：材料介电常数的周期性变化只在一个维度上产生，在其他两个维??度上保持一致，可表示为两种不同介电常数的无限大平板、以一定厚度交替叠加，由于??介电常数只在一个方向上产生周期性变化，所以光子禁带也只存在于这一方向上。??２．二维光子晶体：介电常数在两个维度上产生周期性变化，在另外一个维度上保持??不变，可表示为介电常数不同、长度无限的长条周期性排列，由于介电常数在两个空间??方向均有周期性变化，所以在两个方向上均可产生光子禁带。??３．三维光子晶体：介电常数在三个维度上都形成周期性变化，可表示为介电常数不??同的小方块或小球在空间中交替排列，类似于魔方。三维光子晶体具有全方位的周期结??构，可在各个方向产生光子带隙。??１０?ｉＤ?３?卩??７／７??＿＿＿??（ｉ）?（ｂ）?如??＜ａ）—维光子晶体?（ｂ＞二线尤子晶体?（ｃ）三维光子晶体??图２－２．三种不同維度的光子晶体结构??２－２光子晶体的制备??自然界中存在着较为稀少的天然光子晶体，但是其产生的随机性导致其无法被用于??特定的场合，而光子晶体的带隙特性导致其每一种应用都需要特定的结构，由此需要利??用各种方法去人工制造光子晶体。近些年来，在科研人员的不断探索与努力下，已经积??累了许多对于光子晶体的制备方案，当前制备一维光子晶体的方法主要为各种成熟的镀??膜工艺方法，相对来说较为简单，这样能够获得较宽的完全带隙。而制备二维以及三维??光子晶体的技常用的制备方法有：机械钻孔法、半导体加工方法、全息光刻法、胶体晶??体自组装法、反蛋白石结构法等等
２－２－１机械钻孔法??精密加工法是最早被报道的人工制备光子晶体的方法，其具体使在介质材料上机械??钻孔或刻蚀，通过用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等方法，??形成介质材料与空气背景构成折射率变化的周期性变化，从而形成光子晶体结构。在??１９９１年，Ｙａｂｌ〇ｎ〇ｖｉｔＣｈ［４３］以此方法制作了世界上第一块带有完全光子带隙的三维光子晶??体，在一片折射率在３．６的ＧａＡｓ介质表面上，以偏离垂直法线三十五度从三个方向打??？Ｌ，各个孔之间的夹角为１２０°，如图２－３所示，孔直径约为１ｍｍ左右，空气孔与高??折射率基底材料呈现周期性的分布，对入射光波形成周期性调制，从而产生光子带隙，??他们也通过实验证明了其光子带隙的存在。??＼?ｆ?／??氣??＼＾＼??图２－３．机械钻孔法制备光子晶体Ｍ??机械钻孔法在光子晶体研宄初期成功制备出了光子晶体，但由于这种方法由于工艺??复杂，成本高昂，且所制得结构层数少，质脆、性能易受环境影响，虽然己有较成熟的??加工方法，其应用受到了较大的限制，目前很少再以这种方法来制备光子晶体。??２－２－２胶体晶体自组装法??由于胶体内部的静电作用以及范德华力，分散的胶体粒子的稀溶液会自发排列形成??面心立方和体心立方等有序结构，这种结构被称为胶体晶体。由于胶体晶体的晶格尺寸??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]准周期光子晶体的传输特性[J]. 王义全,关谷涵. 中央民族大学学报(自然科学版). 2007(02)
本文编号：2948382
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