基于亚波长光栅结构微环谐振器的折射率传感研究
随着科学技术的发展，硅基集成光子学的发展如火如荼，盖因硅基光子器件与微电子加工工艺相兼容，体积较小，易于集成。尤其在光学传感领域，硅基集成器件契合下一代片上传感系统的发展需求，拥有着巨大的发展潜力。硅基微环谐振器作为硅基器件库的基本组件之一，结构紧凑，谐振性能优异，在传感领域备受科学家们青睐。然而，在传统的条波导微环谐振器中，大部分的光被限制在波导内部传播，外界倏逝场微弱，光与外界待测物质的相互作用弱，器件的传感灵敏度较低。通过改变微环波导的结构可以有效地增强光与待测物的相互作用，例如将条形波导改为槽波导、光子晶体波导等，传感灵敏度被有效提高，但是可探测范围受到微环自由光谱范围的限制。为了拓宽可探测范围，游标法和色散法构成包络谱用于传感的方案被提出，但是传感灵敏度仍然较低。因此，兼具高传感灵敏度和宽可探测范围的折射率传感器亟待研究。 本文提出了一种基于亚波长光栅结构的微环谐振器传感器件。一方面，亚波长光栅波导可将光集中在待测物质区，增强光与外界待测物的相互作用，从而提高传感灵敏度。另一方面，亚波长光栅波导的损耗和色散特性可被灵活地调节，利用其损耗和色散特性可得到包络型传输谱线，通过追踪包络型传输谱线随外界待测物质折射率的变化实现传感功能，该方案可以有效拓宽可探测范围，解除微环自由光谱的桎梏。 为了验证上述研究方案，本文首先利用平面波展开法和时域有限差分法研究了亚波长光栅波导的模场、损耗和色散特性，进而研究了亚波长光栅微环损耗特性和耦合特性，即环程振幅传递因子和振幅透射系数，然后利用传输矩阵法得到亚波长光栅微环的包络型传输谱线。最后通过追踪包络谱随外界待测物质折射率的变化实现折射率传感功能。本文利用亚波长光栅微环的包络谱追踪传感方案，实现了传感灵敏度高达613nm/RIU，可探测范围宽至0.5RIU。 为了研究上述亚波长光栅微环的传感性能影响因素，本文利用时域有限差分法首先分析了环程振幅传递因子和振幅透射系数的影响因素，随后分析了环程振幅传递因子和振幅透射系数对传感灵敏度的影响，最后总结归纳出亚波长光栅微环传感灵敏度的公式。通过分析可知，传感灵敏度不仅与环程振幅传递因子和振幅透射系数的色散特性相关，而且与它们随外界待测物质折射率变化相关。该公式为提升亚波长光栅微环传感性能提供了坚实的理论依据。 利用本文提出的亚波长光栅微环谐振器可实现兼具高传感灵敏度和宽可探测范围的折射率传感器件，可为集成型折射率传感器件的发展提供理论基础，可为下一代片上传感系统的关键器件提供有力候选。
折射率传感器;微环谐振器;亚波长光栅结构;性能表征
长春理工大学
硕士
物理学
徐亚萌
2022
中文
TP212.14
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）