由于高靈敏度、高通量以及超緊湊等特性,基于光子晶體(Photonic Crystal,PhC)的無標(biāo)簽傳感技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究、人體健康、藥物以及環(huán)境安全等方面具有潛在應(yīng)用。PhC是一種由折射率(Refractive Index,RI)差異較大的低損耗介質(zhì)周期性排列而成的材料,該結(jié)構(gòu)能夠限制光在特定方向進(jìn)行傳輸從而使結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性對RI的改變非常敏感。由于目標(biāo)分析物與光的相互作用會引起局部RI的改變,使得PhC能夠用于傳感性能的研究。本文以PhC平板為研究對象,利用平面波展開法(Plane Wave Expansion,PWE)研究不同維度以及缺陷的PhC結(jié)構(gòu)的能帶特性,同時利用時域有限差分方法(Finite-difference time-domain method,FDTD)研究不同維度和缺陷的PhC微腔的局域特性,光場分布特性以及傳輸特性,并分析不同PhC結(jié)構(gòu)的傳感特性。基于以上的研究思路,首先對一維(one dimensional,1D)和二維(two dimensional,2D)PhC平板結(jié)構(gòu)的不同微腔模型以及微環(huán)諧振腔激光器模型進(jìn)行分析與研究,并對每一種微腔的傳感性能進(jìn)行分別地探索與測試,得出不同的高性能PhC微腔以及微環(huán)諧振腔激光器傳感器模型。其次,為了實現(xiàn)陣列傳感模型,通過對2D-PhC平板結(jié)構(gòu)的不同彎曲波導(dǎo)進(jìn)行分析與研究,獲得了高性能PhC分束器模型。最終,將高性能分束器與PhC微腔傳感器進(jìn)行并行集成,從而實現(xiàn)高性能的PhC陣列傳感復(fù)用模型。本文的主要研究工作包括以下內(nèi)容:(1)提出了高品質(zhì)因子和高靈敏度的PhC微腔傳感器模型以及微環(huán)諧振激光器的遠(yuǎn)程傳感器模型。首先設(shè)計基于2D-PhC平板的H2微腔模型,通過改變微腔兩側(cè)空氣孔的位移和尺寸,從而獲得了高透射率以及高消光比的諧振峰。通過對H2微腔周圍不同空氣孔個數(shù)的填充獲得了最優(yōu)化的折射率靈敏度。其次,基于優(yōu)化的H2微腔內(nèi)添加一個空氣孔,通過調(diào)節(jié)空氣孔半徑實現(xiàn)了高品質(zhì)因子的微腔。由于施壓壓力將會引起PhC微腔的幾何形變,從而實現(xiàn)壓力傳感的性能。利用仿真計算,能夠獲得超低的壓力檢測。此外,為了實現(xiàn)更高品質(zhì)因子的微腔,通過移動L3微腔兩側(cè)空氣孔的位移從而獲得高品質(zhì)因子。最后,為了實現(xiàn)同時的高靈敏度與高品質(zhì)因子的微腔,提出了兩種基于lD-PhC平板的納米束納米槽微腔的設(shè)計方法。首先利用嘗試法對能帶、場圖以及透射進(jìn)行重復(fù)仿真與分析獲得了高品質(zhì)因子。利用脊波導(dǎo)與納米束納米槽結(jié)構(gòu)的輸入與輸出端進(jìn)行耦合,從而增強(qiáng)了光與微腔的耦合效率,獲得了高靈敏度。其次利用決定性方法只對能帶進(jìn)行分析與計算,并將空氣孔半徑進(jìn)行二次方漸變獲得高達(dá)107的品質(zhì)因子。將傳感器模型浸入在不同折射率的液體中從而獲得了靈敏度為415nm/RIU,并且傳感器模型的尺寸只有11.2μm×0.8μm。此外,通過在微環(huán)諧振腔中分別添加R6G摻雜的SU-8和TZ-001的芯層材料從而形成微環(huán)激光器。利用空間光直接激發(fā)微環(huán)激光器產(chǎn)生激光用于折射率傳感性能檢測。在培養(yǎng)皿中重復(fù)添加水或者檸檬水溶液,R6G摻雜的SU-8和TZ-001的微環(huán)激光器的靈敏度與探測極限分別被評估。(2)提出了超寬帶高透射率的PhC彎曲波導(dǎo)以及分束器模型。首先基于PhC平板的60°彎曲波導(dǎo),通過改變波導(dǎo)彎曲部分的空氣孔大小與位移,實現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)的高透射率的性能。基于以上優(yōu)化的60°彎曲波導(dǎo),通過將四個彎曲波導(dǎo)進(jìn)行并行集成實現(xiàn)了 1×4的寬帶高透射率的功率分束器模型。為了簡化分束器設(shè)計的復(fù)雜性,通過在彎曲部分只引入三角形空氣孔就能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶1×3的功率均分分束器模型。(3)提出了PhC分束器與PhC微腔集成的低串?dāng)_、高消光比以及高靈敏度的陣列復(fù)用傳感器模型。首先,基于優(yōu)化的1×4分束器與四個諧振峰相互獨立的L3微腔集成實現(xiàn)了低串?dāng)_和高消光比的并行復(fù)用傳感陣列。通過在微腔周圍分別填充不同折射率的液體,從而實現(xiàn)了靈敏度分別為60.5nm/RIU,59.6nm/RIU,62.5nm/RIU和51.1nm/RIU。通過進(jìn)一步的仿真計算,實現(xiàn)了低探測極限為1×10-4。其次,為了進(jìn)一步提升陣列傳感模型中單一傳感器的靈敏度,將優(yōu)化的1×3分束器,三個W1波導(dǎo)構(gòu)成的帶通濾波器,和三個具有獨立諧振峰的耦合納米線結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成,實現(xiàn)了同時的高靈敏度的陣列傳感復(fù)用模型。通過分別改變每個傳感單元周圍的折射率,計算的靈敏度分別為492nm/RIU,244nm/RIU和552nm/RIU。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;O734
【部分圖文】：

北京郵電大學(xué)工學(xué)博士論文???１．２光子晶體傳感器的研究概況??本小節(jié)將從光子晶體傳感器的基本結(jié)構(gòu)，研究現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢，研宄內(nèi)容??與目標(biāo)、研宄意義以及研宄方法入手，詳細(xì)地闡述光子晶體傳感器的研究概況。??１．２．１光子晶體傳感器的基本結(jié)構(gòu)??首先介紹一下光子晶體的概念以及結(jié)構(gòu)。光子晶體是指由不同折射率的材料??在空間周期性排列而構(gòu)成的具有光子帶隙結(jié)構(gòu)的材料。然而落在光子帶隙中的電??磁波不能傳播，這是光子晶體具有的光子帶隙效應(yīng)。按照折射率在不同方向上的??排列能夠?qū)⒐庾泳w分成一維光子晶體（ｌＤ－ＰｈＣ），二維光子晶體（２Ｄ－ＰｈＣ），??三維光子晶體（３Ｄ－ＰｈＣ），如下圖所示［４２］：??

?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ??圖１－１三種光子晶體的代表性結(jié)構(gòu)示意圖。不同的顏色代表具有不同介電常數(shù)的材料。二??維或者三維光子晶體結(jié)構(gòu)通過每一種材料之間相同的距離排列而形成Ｗ］。??在ｌＤ－ＰｈＣ［４３］中，光僅僅在一個方向上進(jìn)行折射率周期性變化的傳輸，例如??布拉格光柵就是一種ｌＤ－ＰｈＣ結(jié)構(gòu)并被廣泛用于垂直腔表面激發(fā)激光器（Ｖｅｒｔｉｃａｌ??ｃａｖｉｔｙ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ?ｌａｓｅｒｓ，ＶＣＳＥＬｓ）的設(shè)計。對于?２Ｄ－ＰｈＣ［４４＿４５］結(jié)構(gòu)來說，??折射率的周期性變化在兩個方向上并且第三個方向是不變的（假設(shè)變化在ｘ和ｙ??方向，ｚ方向不變）。在３Ｄ－ＰｈＣ［４６＿５４］結(jié)構(gòu)中，折射率變化沿著三個方向（例如ｘ，??ｙ和ｚ方向）。３Ｄ－ＰｈＣ的想法由Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｃｈ和Ｊｏｈｎ提出，主要為了實現(xiàn)無限大??的品質(zhì)因子（Ｑｕａｌｉｔｙ?Ｆａｃｔｏｒ，ｇ）和完全光子帶隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ?Ｂａｎｄ?Ｇａｐ，ＰＢＧ）。??“木材堆”結(jié)構(gòu)是目前制作的一種３Ｄ－ＰｈＣ結(jié)構(gòu)，但是就設(shè)計而言，３Ｄ－ＰｈＣ結(jié)??構(gòu)的制作仍然是非常有挑戰(zhàn)性的。??－２－??

圖１－３二維光子晶體微腔２Ｘ２激光器陣列的ＳＥＭ圖，基于四個不同尺寸的Ｈ
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本文編號：2854926