光子晶體傳感器因具有高靈敏度、超緊湊尺寸、易于集成等優(yōu)勢,在生化、壓力、溫度等傳感領域有著較高的使用價值�；诠庾泳w分束器與微腔傳感器的復用結(jié)構(gòu)設計為光子晶體大規(guī)模集成器件研究提供了可能。本文對光子晶體微腔傳感器、光子晶體分束器及基于光子晶體分束器與微腔傳感器的串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設計和性能分析,并對串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了初步分析。本文的研究成果主要包括如下幾個方面:首先,提出了一種光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器結(jié)構(gòu),并分析了其傳感性能。多小孔缺陷腔是在直接耦合H1微腔中引入六個直徑遠小于晶格常數(shù)的空氣孔而成。通過改變小空氣孔半徑rmini及缺陷腔兩側(cè)空氣孔沿x或-x方向移動的距離L,利用時域有限差分法對多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q進行優(yōu)化。數(shù)值結(jié)果表明,最優(yōu)化多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q大于7×104,同時靈敏度S可達233nm/RIU。接著通過觀察傳感器的傳感質(zhì)量靈敏度和折射率靈敏度S與傳感區(qū)域變化的關系,最終確定了最佳傳感區(qū)域。當最優(yōu)化二維光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器用最佳傳感區(qū)域進行傳感時,傳感器的靈敏度S為213.4nm/RIU,傳感器性能參數(shù)FOM大于104,較其他文獻中的[1-5]直接耦合型微腔傳感器提升了一個數(shù)量級。其次,基于光子晶體波導設計了一種光子晶體1×3分束器結(jié)構(gòu)。該分束器結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方法是:在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入光子晶體波導形成1×3分支通道,然后在各分支波導連接處引入合適角度和大小的三角形柱,用以有效地引導光進入各分支波導。通過改變分束器結(jié)構(gòu)內(nèi)兩直角三角形柱的折射率n對光子晶體分束器的總輸出功率進行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明,當兩直角三角形柱的折射率n等于1.12時,光子晶體1×3分束器在1550nm處的總輸出功率達到99.66%。研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整兩直角三角形柱與水平中心線的垂直距離d,分束器可實現(xiàn)在指定頻率點的功率均勻分配。以1550nm為例,本文優(yōu)化設計后的光子晶體1×3分束器能在包括指定均分波長1550nm在內(nèi)的6個工作波長處實現(xiàn)功率均勻分配,且三通道總輸出功率均大于99%。此外,優(yōu)化設計后的光子晶體1×3分束器在1538nm到1638nm的波長范圍內(nèi)三輸出通道透射譜平穩(wěn),三通道間輸出功率相差不大,可用于光子晶體集成傳感復用。然后,基于前面設計的高性能光子晶體微腔傳感器和高效率光子晶體1×3分束器結(jié)構(gòu),通過在光子晶體1×3分束器的三個并聯(lián)輸出通道分別串聯(lián)一個最優(yōu)化光子晶體多小孔直接耦合微腔傳感器,本文提出了一種光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)。三個多小孔微腔均采用最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)但晶格常數(shù)不同,從而使三個微腔均有最優(yōu)的傳感性能的同時具有不同的諧振頻率。利用時域有限差分法研究發(fā)現(xiàn),串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)三個傳感單元的Q值分別為55724,55066,62039,折射率靈敏度 S 分別為 229nm/RIU,224nm/RIU,228nm/RIU。因此三個傳感單元的FOM分別為8179,8000,9119,較其他串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)[6-7]均提升了一個數(shù)量級。此外,各多小孔缺陷微腔傳感單元之間沒有干擾,能夠同步進行高性能傳感檢測,提高了檢測效率和傳感系統(tǒng)的集成度。最后,對本文提出的光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)進行了初步的穩(wěn)定性研究。仿真結(jié)果表明,當串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機制作誤差時,各多小孔缺陷腔的Q值約為4×104。相對標準串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)時有所降低,但相對其他直接耦合型微腔[1-5]和其他串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)[6-7]中的微腔依舊有大幅提升。三個多小孔缺陷微腔傳感單元仍然能夠互不干擾地同步進行折射率傳感,其折射率靈敏度S分別為231nm/RIU,224nm/RIU,229nm/RIU,較標準串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)時稍有增加。三個傳感器的傳感性能參數(shù)FOM相差不大,分別為5775,5600,5725,相對正常參數(shù)時FOM8000有所降低,但相對于其他串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)[6-7]的FOM也提升了一個數(shù)量級。此外,當串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機制作誤差時,其相對標準串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的各諧振峰波長偏移距離很小,均在2nm以內(nèi)�？傊�,當本文設計的光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機制作誤差時,串并聯(lián)復用結(jié)構(gòu)的性能能夠保持相對穩(wěn)定,各多小孔缺陷微腔傳感器能夠互不干擾地同步進行高性能傳感檢測,可應用于進一步的實驗傳感檢測研究。
【學位單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O734;TP212
【部分圖文】：

圖１－２?—維、二維、三維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖［２２］??根據(jù)電介質(zhì)排布方式的不同，光子晶體有一維、二維、三維之分，具體結(jié)構(gòu)??示意圖如圖１－２所示。一維光子晶體是將不同介電常數(shù)的兩種電介質(zhì)在一維空間??交替排列而成；二維光子晶體則是將不同介電常數(shù)的兩種電介質(zhì)在二維空間交替??排列而成，二維光子晶體的典型結(jié)構(gòu)是在空氣背景中由一些圓的或方的介質(zhì)柱排??列成三角晶格或四方晶格，或者由空氣孔在介質(zhì)背景中規(guī)則陳列構(gòu)成，？將不同介??２??

１４７ｎｍ，娃板厚度?ｒ＝?２４０ｎｍ??２．１．２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)性能分析??圖２－２是利用Ｒｓｏｆｔ的Ｂａｎｄｓｏｌｖｅ模塊，通過平面波展開法計算得到的圖２－１??所示完美光子晶體結(jié)構(gòu)在ＴＥ極化下的能帶結(jié)構(gòu)圖。圖２－２的縱軸表示歸一化頻??率ｇ／Ａ。可以看到，該完美光子晶體結(jié)構(gòu)的光子帶隙ＰＢＧ范圍為０．２５７？０．２３４，??對應的波長范圍是１３５０ｎｍ至１７９０ｎｍ，４４０ｒａｎ寬的禁帶范圍可以用作傳感結(jié)構(gòu)??設計。??完美光子晶體ＴＥ模能帶結(jié)構(gòu)??０．６?????？?０．５??Ｉ！????！?０．３?４??ｉｔ?〇．ｉ??０．。＾＾???ｒ?Ｋ??圖２－２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ仿真軟件是一種基于時域有限差分法的商業(yè)仿真軟件。本文使用??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ的ＦＤＴＤ模塊對光子晶體的電場分布、透射譜、２值等進行仿真分析。??圖２－３是用Ｍａｔｌａｂ繪制的利用；ＦＤＴＤ方法計算得到的圖２－１中完美光子晶體結(jié)??構(gòu)的透射曲線。??１１??

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【參考文獻】

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1 周興平;疏靜;;基于光子晶體自準直效應的新型1×3分束器[J];光學學報;2013年04期

本文編號：2843583