硅基集成光波导生物传感器研究
发布时间：2021-07-28 09:27
生物传感器因其在医疗诊断,药物研发,环境监测,食品工业以及生化安全等领域的广泛应用而取得了快速的发展,其中基于光学的生物传感器由于其超高的灵敏度,较强的抗电磁干扰能力,可多功能集成及具有高度灵活性的优势,获得了广泛的研究和应用。在过去的几年里,在高性能计算机和超高速通信系统的驱动下,硅基光子学发展迅猛,从光子器件的设计,制作工艺,器件封装及测试都有许多进展,已经逐步走向产业化应用。本论文的目的是利用硅基光子学已经取得的成果,针对生物传感应用进行研究,开发出高性能,低成本的传感器,满足未来的需求。本文的一个研究重点为基于折射率检测的超高灵敏度光学传感器。首先,对硅基光波导传感器的制作、测试、及性能评估等进行了系统研究,验证了基于硅基微纳光波导的级联环形谐振腔传感器工作在TM模式下具备超高的传感灵敏度,同时提出了基于波分复用方式实现级联环形谐振腔传感器阵列化集成的方案,实验结果显示此传感器阵列具备极高的性能和良好的温度特性；然后,研究了工作在波长探测模式的基于马赫泽德干涉仪的传感器,实验结果显示了其较高的传感灵敏度和高度的灵活性,并且研究了基于马赫泽德干涉仪与环形谐振腔级联的传感方案,通过...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 基于折射率探测的光学生物传感器
1.2.1 基于表面等离子体波的生物传感器
1.2.2 基于光波导的生物传感器
1.3 基于拉曼光谱技术的生物传感器
1.4 本论文的主要内容及创新点
2 光波导传感器的理论基础
2.1 光波导的理论及仿真方法
2.1.1 光波导的电磁场分析理论
2.1.2 光波导的数值计算方法
2.2 环形谐振器的基本理论
2.2.1 环形谐振器的基本结构及原理
2.2.2 环形谐振器的矩阵分析方法
2.2.3 环形谐振器的光谱特性
2.2.4 环形谐振腔传感器的传感灵敏度
2.3 马赫泽德干涉仪的基本理论
2.3.1 MZI的基本结构和原理
2.3.2 MZI的光谱特性分析
2.3.3 基于MZI的传感器的传感灵敏度
2.4 本章小结
3 硅基光波导器件的制作与测试
3.1 硅基光波导器件的制作工艺
3.1.1 硅波导传感器制作工艺流程
3.1.2 电子束光刻
3.1.3 波导的刻蚀
3.1.4 包层的生长及传感窗口的制作
3.2 硅波导器件与光纤的耦合
3.2.1 端面耦合
3.2.2 垂直耦合
3.3 波导性能参数的精确测量
3.3.1 群折射率
3.3.2 波导损耗
3.3.3 温度特性
3.3.4 方向耦合器的全耦合长度
3.4 本章小结
4 基于硅基微纳光波导的级联环形谐振腔传感器
4.1 级联环形谐振腔传感器的结构及原理
4.1.1 级联环形谐振腔传感器的基本结构
4.1.2 基于波长探测的传感原理及游标效应
4.1.3 基于强度探测的传感原理
4.1.4 基于波分复用方式集成的传感器阵列
4.2 级联环形谐振腔传感器的实验研究及结果分析
4.2.1 单个级联环形谐振腔传感器
4.2.2 基于波分复用方式集成的传感器阵列
4.2.3 级联环形腔传感器的实验结果分析
4.3 级联环形谐振腔传感器的温度特性
4.4 本章小结
5 基于马赫泽德干涉仪的硅基微纳光波导传感器
5.1 基于波长探测的MZI传感器
5.1.1 基于MZI的传感器的设计
5.1.2 基于MZI的传感器的实验验证
5.1.3 MZI传感器的温度特性
5.2 基于环形谐振腔与MZI级联的传感器
5.2.1 MZI-ring传感器的设计
5.2.2 MZI-ring传感器的实验验证
5.2.3 MZI-ring传感器实验结果的分析
5.2.4 MZI-ring传感器的温度特性
5.3 MZI传感器与环形谐振腔传感器的比较
5.3.1 有效传感灵敏度
5.3.2 相对温度敏感性
5.4 MZI传感器应用一：温度传感
5.4.1 温度传感器的设计
5.4.2 温度传感器的实验验证
5.5 MZI传感器应用二：生物传感
5.5.1 硅基光波导传感器的表面功能化
5.5.2 生物传感灵敏度的测试
5.6 本章小结
6 基于硅基微纳光波导的拉曼光谱传感器
6.1 光波导拉曼光谱传感器的结构及原理
6.2 传感器的实验验证及分析
6.3 本章小结
总结与展望
参考文献
作者简介
【参考文献】：
博士论文
[1]基于刻蚀衍射光栅的芯片光谱仪研究[D]. 马骁.浙江大学 2013
[2]基于SOI的级联双环谐振腔光波导传感器研究[D]. 金磊.浙江大学 2012
本文编号：3307659
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 基于折射率探测的光学生物传感器
1.2.1 基于表面等离子体波的生物传感器
1.2.2 基于光波导的生物传感器
1.3 基于拉曼光谱技术的生物传感器
1.4 本论文的主要内容及创新点
2 光波导传感器的理论基础
2.1 光波导的理论及仿真方法
2.1.1 光波导的电磁场分析理论
2.1.2 光波导的数值计算方法
2.2 环形谐振器的基本理论
2.2.1 环形谐振器的基本结构及原理
2.2.2 环形谐振器的矩阵分析方法
2.2.3 环形谐振器的光谱特性
2.2.4 环形谐振腔传感器的传感灵敏度
2.3 马赫泽德干涉仪的基本理论
2.3.1 MZI的基本结构和原理
2.3.2 MZI的光谱特性分析
2.3.3 基于MZI的传感器的传感灵敏度
2.4 本章小结
3 硅基光波导器件的制作与测试
3.1 硅基光波导器件的制作工艺
3.1.1 硅波导传感器制作工艺流程
3.1.2 电子束光刻
3.1.3 波导的刻蚀
3.1.4 包层的生长及传感窗口的制作
3.2 硅波导器件与光纤的耦合
3.2.1 端面耦合
3.2.2 垂直耦合
3.3 波导性能参数的精确测量
3.3.1 群折射率
3.3.2 波导损耗
3.3.3 温度特性
3.3.4 方向耦合器的全耦合长度
3.4 本章小结
4 基于硅基微纳光波导的级联环形谐振腔传感器
4.1 级联环形谐振腔传感器的结构及原理
4.1.1 级联环形谐振腔传感器的基本结构
4.1.2 基于波长探测的传感原理及游标效应
4.1.3 基于强度探测的传感原理
4.1.4 基于波分复用方式集成的传感器阵列
4.2 级联环形谐振腔传感器的实验研究及结果分析
4.2.1 单个级联环形谐振腔传感器
4.2.2 基于波分复用方式集成的传感器阵列
4.2.3 级联环形腔传感器的实验结果分析
4.3 级联环形谐振腔传感器的温度特性
4.4 本章小结
5 基于马赫泽德干涉仪的硅基微纳光波导传感器
5.1 基于波长探测的MZI传感器
5.1.1 基于MZI的传感器的设计
5.1.2 基于MZI的传感器的实验验证
5.1.3 MZI传感器的温度特性
5.2 基于环形谐振腔与MZI级联的传感器
5.2.1 MZI-ring传感器的设计
5.2.2 MZI-ring传感器的实验验证
5.2.3 MZI-ring传感器实验结果的分析
5.2.4 MZI-ring传感器的温度特性
5.3 MZI传感器与环形谐振腔传感器的比较
5.3.1 有效传感灵敏度
5.3.2 相对温度敏感性
5.4 MZI传感器应用一：温度传感
5.4.1 温度传感器的设计
5.4.2 温度传感器的实验验证
5.5 MZI传感器应用二：生物传感
5.5.1 硅基光波导传感器的表面功能化
5.5.2 生物传感灵敏度的测试
5.6 本章小结
6 基于硅基微纳光波导的拉曼光谱传感器
6.1 光波导拉曼光谱传感器的结构及原理
6.2 传感器的实验验证及分析
6.3 本章小结
总结与展望
参考文献
作者简介
【参考文献】：
博士论文
[1]基于刻蚀衍射光栅的芯片光谱仪研究[D]. 马骁.浙江大学 2013
[2]基于SOI的级联双环谐振腔光波导传感器研究[D]. 金磊.浙江大学 2012
本文编号：3307659
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