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基于光子晶体多模谐振腔的双参量多路复用集成传感结构研究

2020-12-08阅读(692)

基于光子晶体多模谐振腔的双参量多路复用集成传感结构研究

论文摘要

光子晶体是一种由具有不同介电常数的电介质材料周期性排列构成的新型材料,具有超常的控光特性,在集成电路、纳米器件和光纤网络等未来诸多领域展现出广阔良好的应用前景。其中,基于微腔结构的光子晶体传感器由于具有超紧凑、小尺寸、低损耗和易集成等优势,近年来被广泛地应用于折射率、温度、压力和生化等传感研究中。随着微纳传感技术的研究日益成熟,实现高集成度、多种参量同时传感的紧迫性也逐渐凸显。为了同时实现双参量检测和多传感通道复用,本文首次提出了“多点双参量传感”的概念,旨在实现同一微纳光学片上的多个传感单元能同时实现温度和折射率双参量检测传感,主要研究成果包括以下内容:首先,分析了利用光子晶体多模式谐振腔对温度和折射率同时进行传感的传感机理,总结了双参传感的可行性条件。利用同一个谐振腔产生的两个不同模式谐振峰（记为基模、一阶模）,分别研究基模、一阶模各自的温度灵敏度和折射率灵敏度,并构造灵敏度矩阵SnT。通过计算Sn，T的秩来判断双参量传感的可行性。这种方法只需要1个谐振腔便有可能实现双参传感,将有效减小传感器件的大小,为实现多路复用提供了可能性。第二,提出了一种基于晶格常数渐变型的一维光子晶体椭圆孔多模式纳米束双参量传感器（photonic crystal ellipical holes multimode nanobeam cavity dual-parameter sensor,PC-EDPS）。根据之前阐述的传感机理,在一维硅基光子晶体纳米束的基础上,引入晶格常数渐变型设计的椭圆孔,晶格常数从波导中心到两侧逐渐增加,构成多模式的一维光子晶体纳米束传感结构PC-EDPS。利用PC-EDPS基模和PC-EDPS 一阶模来实现对环境温度和折射率的双参量同时传感。PC-EDPS的结构尺寸仅仅为12μm×0.7μm×0.22μm（长度×宽度×高度）。第三,提出了“多点双参量传感”的概念,提出了基于一维光子晶体纳米束设计的一种超紧凑、低串扰的双通道光子晶体传感阵列（photonic crystal dual-channel sensor array,DCSA）,组成阵列的多模式一维光子晶体纳米束微腔的基模值可以达到1×106,一阶模的Q值可以达到1×105以上,阵列尺寸仅为26.5μm ×6.2μm × 0.22μm（宽度×长度×高度）。DCSA结构中的两个传感通道（EMNC-1和EMNC-2）都可以单独进行温度和折射率的双参量传感,实现了多通道、多传感单元同时的双参传感。这是本论文最主要的创新点。第四,提出了基于二维硅基平板光子晶体设计的集成复用二维平板光子晶体双参量传感阵列结构（photonic crystal multiplexing dual-parameter sensor array,MDPSA）,组成阵列结构的多模式微腔单元基模Q值超过29000,一阶模Q值超过7000,两个传感单元（Sensor Unit#1和Sensor Unit#2）都可以单独进行温度和折射率的双参量传感,而MDPSA的尺寸仅为14.5μm× 18.6μm×0.22μm（宽度×长度×高度）。MDPSA的设计和实现将有助于未来片上光学传感系统的进一步研究。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •   1.2 国内外微纳传感技术研究现状
  •     1.2.1 基于单一参量检测的微纳光学传感技术
  •     1.2.2 基于多参量检测的微纳光学传感技术
  •     1.2.3 基于集成复用的光学传感阵列技术
  •   1.3 本论文的研究内容和成果
  •   1.4 本论文的结构
  • 第二章 光子晶体和微纳光学传感的研究方法
  •   2.1 光子晶体概述
  •     2.1.1 光子晶体分类
  •     2.1.2 常用数值仿真工具
  •   2.2 光子晶体的特性分析
  •     2.2.1 完美光子晶体的带隙特性
  •     2.2.2 光子晶体W1波导的传输特性
  •   2.3 光子晶体微纳传感概述
  •     2.3.1 光子晶体传感器的传感机理
  •     2.3.2 光子晶体传感器的关键性能指标
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 基于晶格常数渐变型椭圆孔一维光子晶体纳米束多模谐振腔的双参量传感器
  •   3.1 光子晶体纳米束多模谐振腔PC-EHNC的结构设计
  •   3.2 光子晶体双参量传感器PC-EDPS的传感性能分析
  •     3.2.1 PC-EDPS双参量传感的传感机理
  •     3.2.2 PC-EDPS双参量传感可行性分析
  •   3.3 本章小结
  • 第四章 超紧凑、低串扰的双通道集成复用一维光子晶体纳米束双参量传感阵列
  •   4.1 一维光子晶体椭圆孔纳米束微腔结构的设计与优化
  •     4.1.1 介质模腔DM-EMNC的结构设计与优化
  •     4.1.2 空气模腔AM-EMNC的结构设计与优化
  •   4.2 集成传感阵列DCSA的结构设计与光学性能分析
  •     4.2.1 1×2硅基光分束器和2×1硅基光耦合器
  •     4.2.2 DCSA的结构设计
  •     4.2.3 DCSA的传输特性和电场局域特性
  •   4.3 集成传感阵列DCSA的传感性能分析
  •     4.3.1 DCSA各传感通道双参量传感的可行性分析
  •     4.3.2 DCSA各传感通道双参量传感的数值验证
  •     4.3.3 DCSA传感通道的独立性研究
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 基于级联多模式谐振腔的二维多点平板光子晶体双参量传感阵列
  •   5.1 光子晶体多模式线缺陷腔PC-MLC结构设计与优化
  •     5.1.1 PC-MLC结构设计
  •     5.1.2 PC-MLC性能优化
  •   5.2 PC-MLC传感性能分析
  •     5.2.1 PC-MLC光学性能分析
  •     5.2.2 PC-MLC双参量传感可行性分析
  •   5.3 光子晶体双参量传感阵列MDPSA的结构设计和传感分析
  •     5.3.1 MDPSA结构设计与光学性能分析
  •     5.3.2 MDPSA传感单元双参量传感可行性分析
  •     5.3.3 MDPSA传感通道双参量传感的数值验证
  •     5.3.4 MDPSA传感单元独立性研究
  •   5.4 本章总结
  • 第六章 全文总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表论文与专利

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 王佳文

    导师: 田慧平

    关键词: 光子晶体,传感,温度,折射率,多路复用,纳米束

    来源: 北京邮电大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,化学,自动化技术

    单位: 北京邮电大学

    分类号: TP212;O734

    总页数: 79

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