用于折射率传感的一维光子晶体微环谐振器研究

作     者：胡述波 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐亚萌

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：一维光子晶体 微环谐振器 品质因子 色散特性 传感灵敏度 

摘      要：光学传感技术是融合了多门重要学科的综合性技术,在疾病诊断、航空航天、生化防恐、环境监测等领域都发挥着重要作用。随着各类应用的发展,微型化、低成本、高灵敏度的光学传感器成为国内外研究热点。本文主要开展了基于一维光子晶体微环谐振器的折射率传感研究,主要包括基于含槽一维光子晶体微环介质带模式,蝴蝶结型一维光子晶体微环空气带模式和色散型一维光子晶体微环的传感特性研究。首先针对含槽一维光子晶体微环,分别研究了空气孔半径,微环波导宽度和槽宽对其禁带位置与禁带宽度的影响,讨论了总线波导宽度和耦合间距对其耦合特性的影响,得到其传输特性,光场局域情况和各介质带模式的品质因子,探讨了含槽一维光子晶体微环介质带模式的传感灵敏度,最高可达495 nm/RIU。随后以蝴蝶结型一维光子晶体微环为研究对象,讨论了微环波导宽度,蝴蝶结孔半径和蝴蝶结角度对其空气带模式品质因子的影响,经优化后品质因子可达1.419×105。以高品质因子空气带模式为研究对象,得到了250 nm/RIU的传感灵敏度。最后,利用传输矩阵法,理论分析并推导出微环传输谱线表达式,发现其中振幅传递因子、振幅透射系数和有效折射率都与波长相关,因此,研究了色散对一维光子晶体微环传输特性的影响,发现色散可使传输谱线成为谐振强度不等的包络型谱线。探讨了耦合长度和耦合间距对传输谱线的影响,通过选定临界耦合点,得到色散型一维光子晶体微环的传感灵敏度可达310 nm/RIU。本文的研究工作为微型化、低成本、高灵敏度的集成化折射率传感器的发展提供了理论基础和创新性思路,为片上集成传感系统的发展起到了推动作用。