本文關(guān)鍵詞：太赫茲波高Q一維光子晶體腔與傳感應(yīng)用　出處：《中國(guó)計(jì)量學(xué)院》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來(lái),太赫茲技術(shù)由于其在無(wú)損檢測(cè)、成像、光譜及通信等方面的應(yīng)用潛力,已引起學(xué)術(shù)界濃厚的研究興趣。隨著太赫茲波發(fā)射與探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,許多新的應(yīng)用在太赫茲波段有望實(shí)現(xiàn)。特別是對(duì)應(yīng)用于太赫茲波段的功能器件如太赫茲波濾波器、光控或電控開關(guān)及調(diào)制器、高敏生化傳感器等的需求不斷增加,而具有高品質(zhì)因子(Q值)的太赫茲波器件,在這些方面有重要的應(yīng)用。論文提出了一種高Q一維光子晶體腔,對(duì)腔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并研究了此高Q腔在可調(diào)諧的太赫茲波濾波器、光控太赫茲波開關(guān)及太赫茲波氣體濃度折射率傳感等方面的應(yīng)用。論文主要研究工作分為三個(gè)部分:(1)設(shè)計(jì)并制作了一種高Q太赫茲波一維光子晶體腔。該光子晶體腔由兩塊分立且平行的布拉格鏡及中間空氣層作為缺陷層組成,每塊布拉格鏡由多片硅片和空氣層交疊構(gòu)成。利用傳輸矩陣?yán)碚撗芯苛似渫干涮匦?對(duì)腔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)制作的器件進(jìn)行了性能測(cè)試。提出了通過(guò)增加缺陷層厚度(即腔長(zhǎng))來(lái)提高光子晶體腔Q值的方法。實(shí)驗(yàn)中獲得的最高Q值為1.1×104,是目前同類器件國(guó)際報(bào)道中的最高值。通過(guò)控制平移臺(tái)調(diào)節(jié)缺陷層厚度,實(shí)現(xiàn)了在299~355 GHz光子禁帶內(nèi)100%調(diào)諧的太赫茲波窄帶帶通濾波器。(2)根據(jù)光生載流子對(duì)太赫茲波的吸收作用,利用一維光子晶體腔設(shè)計(jì)了一種光控太赫茲波開關(guān)。因設(shè)計(jì)的一維光子晶體腔的缺陷層較長(zhǎng),激光可以很容易地照射到一維光子晶體腔中間層硅片上,此時(shí)僅需0.16 W/cm2的激光功率密度即可實(shí)現(xiàn)太赫茲波開關(guān)的關(guān)斷操作,與單片光控太赫茲波開關(guān)相比所需的控制激光功率降低了50倍左右。(3)利用太赫茲波段高Q一維光子晶體腔首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了室溫大氣壓下氣體濃度折射率傳感測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中對(duì)氫氣與空氣的混合氣體進(jìn)行了檢測(cè),得到的最小可測(cè)折射率變化為1.4×10-5 RIU,氫氣濃度的檢測(cè)精度為6%,通過(guò)對(duì)光子晶體腔的進(jìn)一步優(yōu)化,性能有望至少提高一倍。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度高且具有高的測(cè)量復(fù)現(xiàn)性及可靠性。
[Abstract]:In recent years, terahertz technology because of its imaging in nondestructive testing, and potential applications of spectrum and communication etc, has aroused strong interest in the study of academic circles. With the rapid development of THz emission and detection technology, many new applications is expected to achieve in the terahertz band. Especially for terahertz functional devices such as terahertz wave filter, optical switch and modulator or electronic control, Gao Min biochemical sensors such as increasing demand, and with high quality factor (Q value) of the terahertz devices have important applications in these fields. The paper presents a high Q one-dimensional photonic crystal cavity, the cavity parameters are optimized, and studied the in a high Q cavity tunable terahertz filter, optical switch and application of terahertz THz wave gas refractive index sensing and so on. The main research work is divided into three parts: (1) The design and fabrication of a high Q THz wave of one-dimensional photonic crystal cavity. The photonic crystal cavity is composed of two separate and parallel to the Prague mirror and middle air layer as a defect layer, each Prague mirror is composed of a plurality of silicon and air layer overlapping. To study the transmission characteristics using the transfer matrix theory of cavity parameters optimized, and the fabricated devices were tested. The proposed by increasing the thickness of defect layer (i.e. cavity length) method to improve the photonic crystal cavity. The highest Q value Q obtained a value of 1.1 * 104, is currently the international similar devices reported in the highest value. The thickness of the defect layer by adjusting control translation stage, realized in 299~355 GHz photonic band gap in narrowband terahertz wave 100% tunable band-pass filter. (2) according to the photocarrier absorption on the terahertz wave, using photonic crystal cavity design of a terahertz optical Zibo switch. Because of the defect layer in one-dimensional photonic crystal cavity long design, laser can easily be irradiated to the one-dimensional photonic crystal cavity intermediate layer on a silicon wafer, the laser power density can now only 0.16 W/cm2 to achieve terahertz switch off operation, and optical switch control compared to monolithic terahertz Zibo laser power required to reduce about 50 times. (3) by using the terahertz high Q photonic crystal cavity for the first time in the world to achieve rate sensing measurement of gas concentration index at room temperature under atmospheric pressure. The mixed gas of hydrogen and air in the experiment were detected, the minimum detectable change of refractive index is 1.4 * 10-5 RIU, the detection accuracy of hydrogen the concentration of 6%, through the further optimization of the photonic crystal cavity, the performance is expected to at least doubled. This device has the advantages of simple structure, high sensitivity and measurement reproducibility and high reliability.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN713;TP212

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