基于SOI的豌豆型光波导传感器关键技术研究

作     者：姚佳 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王卓然

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光波导传感器 MZI 豌豆形谐振腔 光栅耦合器 

摘      要：随着近年来光波导器件的发展,光波导型传感器逐渐成为众多应用中具有重要前途的平台。例如,环境保护、医疗诊断、生物制药等。由于光倏逝波与待分析物在器件表面或环境媒质中的相互作用,硅波导器件被广泛应用于传感领域中。本论文旨在实现一个基于SOI的高性能传感系统。完成的工作主要包括以下几方面:首先,应用游标效应设计了一种基于SOI的豌豆型微环光波导传感器(BR-MZI)。运用传输矩阵法(TMM),推导了器件的总传输谱。同时,依据MZI结构和豌豆形谐振腔的干涉条件得到了器件结构的尺寸设计要求以及优化设计的方案。并采用MATLAB建模,对该结构进行了数值仿真和优化,并对灵敏度、探测极限、消光比、Q值等性能进行了分析。仿真结果表明一个尺寸为30×12μm2的传感结构可以实现高达677.1 nm/RIU的灵敏度、10-6 RIU的探测极限以及469 nm的准自由光谱范围。其次,以豌豆型微环光波导传感器为基础模型,进一步研究了双级联式、双载式、双载-双级联式以及双通平行信道等各种拓扑及异形结构的传感器设计。通过优化,拓扑及异形结构的传感器在灵敏度和器件准自由光谱范围方面都有更优的性能呈现。最后,研究了如何将光从硅纳米线波导耦合进光纤中。采用Opti FDTD软件和Rsoft软件分别建立了二维和三维光栅耦合器模型,并对它们进行了仿真分析。三维仿真结果实现了在偏离垂直方向20.5°左右时,约38%的耦合效率。具有高灵敏度和大动态检测范围的新型传感结构BR-MZI的设计以及该结构进一步的级联能力,加之光栅耦合器的设计,在未来的超紧凑、高灵敏度传感器阵列方面,它们都展示出了巨大的潜力。