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聚合物波导微环谐振器折射率传感研究与应用

聚合物波导微环谐振器折射率传感研究与应用

作者：王浩华中科技大学

学位级别：硕士

微环谐振器的高Q值、小尺寸、侵入性小、抗扰能力强等优点使其成为最具潜力的光学器件之一,在传感领域具有丰富的应用场景。微环谐振器的传感机理是基于折射率传感,可分为微环包层折射率传感和微环波导折射率传感两种传感模式。本文设... 详细信息

微环谐振器的高Q值、小尺寸、侵入性小、抗扰能力强等优点使其成为最具潜力的光学器件之一,在传感领域具有丰富的应用场景。微环谐振器的传感机理是基于折射率传感,可分为微环包层折射率传感和微环波导折射率传感两种传感模式。本文设计并制作了一款直通型聚苯乙烯波导微环谐振器,将其封装成稳定可测试的光学折射率传感器件,分别对微环谐振器的两种折射率传感模式进行研究、测试、优化以及应用。本文的具体工作如下:首先从微环基础理论出发,研究了微环结构参数与其性能的关系,使用COMSOL仿真设计出一款适用于折射率传感的高Q值直通型微环谐振器。基于仿真的结构参数采用光刻-刻蚀工艺制作出硅模具,再采用纳米压印技术成功制备出尺寸、形貌均符合预期的聚苯乙烯波导微环谐振器,并将其封装成稳定可测试的折射率传感器件。然后研究了基于微环包层折射率变化的传感模式,将NaCl溶液作为微环的上包层,搭建包层折射率传感测试系统,测试单微环谐振器对NaCl溶液的折射率灵敏度为39.64nm/RIU。采用基于游标效应的双微环级联结构进行优化,测试其对NaCl溶液的折射率灵敏度为2494.6 nm/RIU,与单微环相比提升了约63倍,线性拟合优度达0.9979。最后研究了基于微环波导折射率变化的传感模式,通过施加声压来改变聚苯乙烯波导的折射率。搭建声压传感测试系统,测试不同频率声信号的响应灵敏度,最高灵敏度为40 mV/kPa。将声压传感进行拓展应用,设计了基于声压传感的三微环阵列声源定位系统并对其优化,通过仿真验证了算法的正确性,通过实验测试了声源定位的准确性,测试得到声源位置与设定值的最大误差半径仅为6.3287 mm。

关键词：微环谐振器游标效应声压灵敏度微环阵列声源定位

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

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物理学报 2017年第20期66卷 83-90页

作者：李志全白兰迪顾而丹谢锐杰刘同磊牛力勇冯丹丹岳中燕山大学电气工程学院秦皇岛066004

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环... 详细信息

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.

关键词：金刚石芯层微环谐振器多层脊型波导结构

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用于水下声压探测的高灵敏度微环谐振器设计

用于水下声压探测的高灵敏度微环谐振器设计

作者：涂睿华中科技大学

学位级别：硕士

光学微环谐振器作为典型的光学传感器件,具有体积小,品质因数高,易于集成等特性,被广泛应用在声压传感,生物传感,温度传感等领域。本文从光学传输原理出发,使用优化后的有限元三维仿真模型设计了一款高Q值直通型环形谐振器和一款动态范... 详细信息

光学微环谐振器作为典型的光学传感器件,具有体积小,品质因数高,易于集成等特性,被广泛应用在声压传感,生物传感,温度传感等领域。本文从光学传输原理出发,使用优化后的有限元三维仿真模型设计了一款高Q值直通型环形谐振器和一款动态范围大、稳定性高的跑道型微环谐振器,并完成基于纳米压印工艺的器件制备。将测试得到的输出谱线与三维仿真结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。最后以提高器件水下声压测量灵敏度为目的,设计了一款高声压灵敏度悬空层结构微环谐振器,实现了水下声压灵敏度近百倍的提升。本文主要任务如下:(1)运用有限元仿真方法对微环谐振器输出谱线进行仿真优化,并建立了精确度更高的三维仿真模型。分别对微环谐振器的半径、耦合间距等结构参数进行变量分析,计算出微环谐振器光学性能参数与结构参数的关系,并将仿真结果与理论进行对比分析;然后使用三维仿真模型设计了一款高Q值直通型环形谐振器和一款动态范围大、稳定性高的跑道型微环谐振器,并通过纳米压印工艺完成了器件的制备。有限元三维仿真得到微环谐振器的Q值为1.14×10,测试得到实际器件Q值为1.092×10,二者结果相吻合,验证了三维仿真模型的精确性。测试得到跑道型微环谐振器的半峰全宽为0.7 nm,自由频谱范围2.3 nm,满足动态范围大、高稳定性的设计要求。(2)从微环谐振器声压传感原理出发,使用有限元仿真软件的多物理场耦合模块进行了微环谐振器声压灵敏度的计算,并据此设计了一款基于深硅刻蚀工艺的高灵敏度悬空层薄膜结构微环谐振器。测试得到该结构微环谐振器在声压作用下波长偏移灵敏度为2.15 pm/k Pa,相较未刻蚀衬底结构微环谐振器有72倍的提升。

关键词：微环谐振器有限元仿真纳米压印声压传感深硅刻蚀

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槽型相移布拉格光栅微环谐振器及其传感特性

光子学报 2023年第6期52卷 39-49页

作者：刘春娟孙晓丽吴小所王嘉伟曹倩倩兰州交通大学电子与信息工程学院兰州730070

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性,设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输... 详细信息

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性,设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输矩阵法量化谐振器中各部分的光场分布,分析系统的传输原理。采用时域有限差分法对提出的器件结构进行仿真模拟,并对结构物理参数进行优化。模拟结果表明该结构的品质因数达到25729,比传统微环谐振器提高了3倍以上,消光比为18.65 dB,高出传统微环谐振器6.46 dB,折射率灵敏度达到122 nm/RIU,且该谐振器结构简单。所提出的结构在传感应用中具有一定的优势。

关键词：集成光学硅基波导微环谐振器槽型相移布拉格光栅 Fano谐振折射率传感

一种窄带高消光比的可调谐聚合物微环谐振器的仿真分析

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光电子．激光 2015年第1期26卷 35-42页

作者：沙晓鹏张鑫李志全童凯李惠光燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

基于耦合模理论、微环谐振理论和电光调制理论,提出了一种可由电光调谐并带有两段U型波导的微环谐振器,通过仿真结果讨论了输出光谱、U型波导长度和耦合系数等参数的变化关系。仿真结果证明,相比较于其他报道过的带有U型波导的微环谐振... 详细信息

基于耦合模理论、微环谐振理论和电光调制理论,提出了一种可由电光调谐并带有两段U型波导的微环谐振器,通过仿真结果讨论了输出光谱、U型波导长度和耦合系数等参数的变化关系。仿真结果证明,相比较于其他报道过的带有U型波导的微环谐振器,本文所提出的微环谐振器在耦合系数取0.1时,实现了60dB以上的极高消光和极窄的带宽,同时自由光谱范围(FSR)可达到56nm。通过改变加载在微环和U型波导上的电压,可以分别实现波长和消光比的调谐。

关键词： U型波导微环谐振器滤波效果消光比耦合系数

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串联微环谐振器的光学特性

中国激光 2008年第5期35卷 675-679页

作者：高震森李淳飞哈尔滨工业大学物理系黑龙江哈尔滨150001

根据波导耦合方程,导出了串联微环谐振器的传输矩阵,并分析了环数、环间耦合系数以及损耗对串联微环谐振器输出特性的影响。数值模拟表明,串联微环谐振器具有光子带隙的特征。当环数增加时,通带内满足谐振条件的波长数增加;当环间耦合... 详细信息

根据波导耦合方程,导出了串联微环谐振器的传输矩阵,并分析了环数、环间耦合系数以及损耗对串联微环谐振器输出特性的影响。数值模拟表明,串联微环谐振器具有光子带隙的特征。当环数增加时,通带内满足谐振条件的波长数增加;当环间耦合系数增加时,可使通带带宽加宽;通过适当选择环数和环间耦合系数,可以实现滤波和波分复用(WDM)的功能。选用脉冲宽度为50 ps的高斯型激光脉冲注入微环谐振器,发现当环间耦合系数较小时,出射脉冲相对于入射脉冲具有光学延迟的效果,并且随着环数的增加,延迟时间逐渐增大,而当环间耦合系数较大时,光学延迟效果不明显。

关键词：集成光学微环谐振器传输矩阵串联耦合光学延迟

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铒镱共掺微环谐振器的放大特性分析

光学学报 2009年第3期29卷 632-637页

作者：汪玉海马春生闫欣张大明集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区吉林大学电子科学与工程学院长春吉林130012

对铒镱共掺做环谐振器的放大特性进行了理论分析,给出了器件的传递函数和功率增益的公式。在抽运光波长为0.98μm、信号光中心工作波长为1.55μm的情况下,分析了抽运光功率、信号光功率、铒镱掺杂浓度、微环与信道间的振幅耦合比率对放... 详细信息

对铒镱共掺做环谐振器的放大特性进行了理论分析,给出了器件的传递函数和功率增益的公式。在抽运光波长为0.98μm、信号光中心工作波长为1.55μm的情况下,分析了抽运光功率、信号光功率、铒镱掺杂浓度、微环与信道间的振幅耦合比率对放大器放大特性的影响,给出了上下信道的传输光谱,并对其结构进行了优化设计。模拟结果表明,与同等长度的直条形铒镱共掺波导放大器相比,该器件可获得更高的信号光增益,选取P_(p0)=8mW,P_(s0)=36.5μW,N_(Er)=1×10^(26)m^(-3),N_(Yb)=3×10^(27)m^(-3),该器件可容易地获得11.6 dB以上甚至高达60 dB的信号光功率增益。这种强放大功能的铒镱共掺微环谐振型放大器,将更有利于器件在尺寸上的小型化、集成化。

关键词：微环谐振器波导放大器铒镱共掺传输光谱

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新型微环谐振器双环模型的滤波特性分析

红外与激光工程 2011年第1期40卷 112-117页

作者：钱凌波周骏闫树斌王振永华丛一宁波大学光电子科学与技术实验室浙江宁波315211 中北大学电子测试技术国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

设计了一种新型微环谐振器,其基本结构由圆角正方形波导与条形波导组成。根据波导光学的耦合模理论,推导出双环串联和双环并联的圆角正方形微环谐振器的光强传递函数,并通过数值模拟分别获得这两种模型的谐振器的输出特性。结果表明:与... 详细信息

设计了一种新型微环谐振器,其基本结构由圆角正方形波导与条形波导组成。根据波导光学的耦合模理论,推导出双环串联和双环并联的圆角正方形微环谐振器的光强传递函数,并通过数值模拟分别获得这两种模型的谐振器的输出特性。结果表明:与传统的圆环形谐振器相比,圆角正方形结构微环谐振器的输出光谱的通带宽、谐振峰平坦、自由光谱区范围大,更接近理想的"箱型"波谱,而且圆角正方形结构相比于圆环形结构,其可变参数增多,更有利于器件的优化设计。

关键词：波导光学微环谐振器传输光谱波导耦合

有限元分析法在SOI基微环谐振器设计中的应用

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发光学报 2010年第4期31卷 599-604页

作者：谢生张彬毛陆虹郭维廉陈燕于欣张世林天津大学电子信息工程学院

利用有限元法（FEM）分析了大横截面SOI（Silicon-on-insulator）脊型波导的本征模式分布,确定了脊型波导的单模条件。在保证单模传输的情况下,模拟了SOI微环谐振器中波导耦合器的耦合长度、功率耦合系数与波导尺寸和间距的关系。模拟... 详细信息

利用有限元法（FEM）分析了大横截面SOI（Silicon-on-insulator）脊型波导的本征模式分布,确定了脊型波导的单模条件。在保证单模传输的情况下,模拟了SOI微环谐振器中波导耦合器的耦合长度、功率耦合系数与波导尺寸和间距的关系。模拟结果表明：对于W=1μm,H=2μm的SOI脊型波导耦合器,耦合长度LC随波导间距d的增加而增大,功率耦合系数随之减小。在波导间距d〈0.8μm的情况下,耦合长度LC随着归一化脊高r的增加而增大,当d〉0.8μm时,耦合长度LC随r的增加而减小。模拟结果为SOI微环谐振器的设计和应用提供了理论依据。

关键词：集成光学微环谐振器单模条件波导耦合器