光開關(guān)、光集成器件廣泛應用于日益迅速增長的光通信系統(tǒng)中。包含光放大器、光開光等波導器件的有源集成光波導芯片是光互聯(lián)網(wǎng)絡中可重構(gòu)型光交叉復用模塊的主要組成部分,在光通信、光傳感領域中受到了廣泛關(guān)注。在過去的幾十年中,光學傳感技術(shù)在環(huán)境和工業(yè)監(jiān)測以及醫(yī)療保健(例如疾病診斷和生物醫(yī)學)應用領域取得了重大進展。集成光波導生物傳感器因為其超小型尺寸,高靈敏度,無標簽檢測,樣品消耗量低,抗電磁干擾,制造過程與CMOS技術(shù)兼容可實現(xiàn)低成本的大規(guī)模制造等優(yōu)點而被廣泛研究,同時也可以與其他設備如光源,檢測器和微流控單元集成在同一芯片上實現(xiàn)低成本、可便攜、用于現(xiàn)場測試應用的芯片實驗室模塊�；谶@種研究方向和目的,本論文設計了有源集成型光波導芯片,對制備器件的材料特性以及器件結(jié)構(gòu)設計流程分別進行了介紹,并對最終設計的折射率傳感型器件的傳感特性進行了分析與研究。1.基于光波導模式理論,對非對稱三層平板波導的特征方程進行了分析,利用有效折射率法對矩形波導導模特征方程進行了推導,計算了脊型波導結(jié)構(gòu)模式,分析傳感型波導器件結(jié)構(gòu),介紹了光波導器件實現(xiàn)傳感功能的工作原理,即消逝場原理。闡述了熱光效應的工作形式及其原理,對馬赫曾德爾干涉(MZI)型波導器件的結(jié)構(gòu)進行了介紹,分析了光開關(guān)器件的工作原理。對基于干涉結(jié)構(gòu)的波導器件進行了分析,介紹了基于多模干涉(MMI)結(jié)構(gòu)的光波導器件的工作方式,并對其實現(xiàn)折射率傳感功能的工作原理進行了闡述。2.提出了新型基于介質(zhì)加載表面等離子體激元極化波導(DLSPPW)結(jié)構(gòu)的全聚合物熱光開關(guān)陣列器件。利用光學仿真軟件對器件的設計尺寸進行了優(yōu)化,低損耗氟化光敏聚合物(FSU-8/FBPA-PC EP)和有機-無機接枝改性PMMA材料被分別用作聚合物波導的芯層和包層。對材料的制備流程進行了詳細的介紹,表征了材料的光學和熱學特性,測得了材料較低的吸收損耗和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。通過截斷法測得4μm寬的DLSPPW的傳輸損耗為0.55 dB/cm。器件的插入損耗約為4.5dB。開關(guān)器件在施加200 Hz方波電壓的條件下,上升和下降時間分別為287μs和370μs。驅(qū)動功率為5.6mW,消光比為13.5 dB。結(jié)構(gòu)設計靈活、低損耗的多功能波導型光開關(guān)陣列適合實現(xiàn)大規(guī)模的光電集成電路。金屬表面等離子體模式的敏感特性以及在測試過程中獲得的對波長敏感的微小電流現(xiàn)象使得DLSPPW結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)多功能集成傳感和生物醫(yī)學應用等方面表現(xiàn)得更具研究意義。3.設計了具有損耗補償功能的聚合物MZI結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)器件,選擇低損耗的氟化光敏聚合物作為波導芯層材料,摻鉺共聚物(GETPM)材料作為波導上包層材料,在減小器件損耗的同時,可以實現(xiàn)對器件損耗的補償功能。介紹了制備器件所需的材料GETPM的制備方法及特性表征,例如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、熱失重溫度、不同摻雜含量的GETPM的吸收譜以及發(fā)射譜特性等等。對FSU-8/FBPA-PC EP材料的特性、開關(guān)器件的理論設計和工藝制備等方面進行了優(yōu)化,并對開關(guān)性能進行了詳細分析和測試,測得FSU-8/FBPA-PC EP和GETPM材料的熱光系數(shù)分別是-1.85×10~(-4)℃~(-1)和-1.65×10~(-4)℃~(-1)。通過不同摻雜濃度的FSU-8/FBPA-PC EP的不同折射率,計算波導結(jié)構(gòu)的有效折射率。優(yōu)化波導、電極尺寸,設計熱光開關(guān)器件結(jié)構(gòu)。測試開關(guān)器件,得到方波電壓500 Hz條件下的開關(guān)響應,上升和下降時間分別為396和461μs。插入損耗約為6dB,消光比為14dB,驅(qū)動功率約為6.5 mW。在1530nm處測得器件最大的相對光增益為1.9dB,可以實現(xiàn)對器件的損耗補償功能。4.在上述兩部分材料性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實驗測試的基礎上,提出了結(jié)構(gòu)更加簡單的基于金屬包層定義波導結(jié)構(gòu)的有源功能集成光波導芯片,對器件中光放大器,光開關(guān)和傳感區(qū)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。闡述了金屬包層定義型波導器件的設計思路和模擬分析,詳細分析了該結(jié)構(gòu)的波導模式,用光學仿真軟件對MMI結(jié)構(gòu)的光開關(guān)及光放大器進行了優(yōu)化設計,并對器件進行了制備與測試分析。給出了器件制備詳細的工藝流程,精確控制各個參數(shù),包括制備所需材料,制備條件,實驗設備等等。對直波導光放大器的部分和MMI型熱光開關(guān)的部分分別進行了測試,當輸入信號光功率為1mW時,測得光放大器最大的相對增益為3.6dB。對于MMI型熱光波導開關(guān)部分,通過施加頻率為300 Hz的方波電壓測到熱光響應,上升和下降時間分別為511和341μs。消光比為20 dB,開關(guān)功率為23.5mW。對金屬包層定義型波導器件的傳感區(qū)結(jié)構(gòu)進行了設計與測試,以濃度為20mg/L的中藥材料貝母甲素的有效折射率作為參照點設計了器件傳感區(qū)結(jié)構(gòu)的各個參數(shù),優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)。器件靈敏度為2×10~3 RIU~(-1),分辨率和檢測極限分別為2.5×10~(-4)和1.3×10~(-7) RIU。器件在對應于輸出光功率5dB的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)對貝母甲素的濃度范圍(10-25 mg/L)有效地檢測。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN252
【部分圖文】：

圖 1.1 光波導傳感器分類示意圖1.基于 MZI 結(jié)構(gòu)的光波導傳感器[27]：MZI 波導結(jié)構(gòu)是廣泛應用于生化傳感的波導結(jié)構(gòu)之一，器件結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，選擇其中一個分支波導作為參考臂，另一個分支波導作為傳感臂。測試器件時，兩臂之間的相位差因待測物改變時，輸出信號的強度或諧振波長的改變反映了待測物的信息，例如種類或者濃度。器件的傳感機理是待測物發(fā)生改變時，傳感臂波導的折射率隨之發(fā)生變化，從而使得通過傳感臂的光程發(fā)生對應的變化，而光相移變化的產(chǎn)生隨之而來的則是輸出端光強發(fā)生變化，通過檢測輸出端光強而得到待測物的信息。在消逝波檢測過程中，可以將受體層固定到芯層的表面上。為了提高靈敏度，干涉儀之間需要較高的芯包層的折射率差，通過生物分子相互作用引起消逝場區(qū)域巨大的有效折射率變化。

圖 1.1 光波導傳感器分類示意圖1.基于 MZI 結(jié)構(gòu)的光波導傳感器[27]：MZI 波導結(jié)構(gòu)是廣泛應用于生化傳感的波導結(jié)構(gòu)之一，器件結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，選擇其中一個分支波導作為參考臂，另一個分支波導作為傳感臂。測試器件時，兩臂之間的相位差因待測物改變時，輸出信號的強度或諧振波長的改變反映了待測物的信息，例如種類或者濃度。器件的傳感機理是待測物發(fā)生改變時，傳感臂波導的折射率隨之發(fā)生變化，從而使得通過傳感臂的光程發(fā)生對應的變化，而光相移變化的產(chǎn)生隨之而來的則是輸出端光強發(fā)生變化，通過檢測輸出端光強而得到待測物的信息。在消逝波檢測過程中，可以將受體層固定到芯層的表面上。為了提高靈敏度，干涉儀之間需要較高的芯包層的折射率差，通過生物分子相互作用引起消逝場區(qū)域巨大的有效折射率變化。

吉林大學博士學位論文42.基于光柵結(jié)構(gòu)的光波導傳感器[28]：光柵型光波導傳感器的器件結(jié)構(gòu)如圖1.3 所示，將周期性光柵結(jié)構(gòu)通過干法或者濕法刻蝕的工藝流程制備在波導的表面或其側(cè)壁上。光柵型波導傳感器結(jié)構(gòu)一般適用于對待測物體折射率的測量，引入的待測物會改變波導傳輸光的耦合狀態(tài)，然后改變傳感器最終的輸出光強或者光譜。其中短周期光柵將信號反射回輸入端，長周期光柵則是將信號光耦合到包層中耗散掉。圖 1.3 光柵結(jié)構(gòu)光波導傳感器3.基于狹縫結(jié)構(gòu)的光波導傳感器[29]：狹縫波導結(jié)構(gòu)，一般都是采用無機材料來制備。兩條平行的無機波導間距達到納米量級時，其對應的光場中有很大一部分將集中在波導之間的狹縫中傳輸。而狹縫波導結(jié)構(gòu)中的光場與待測物接觸會非常充分，這使得基于狹縫結(jié)構(gòu)的光波導傳感器的靈敏度較高。圖 1.4 所示是狹縫結(jié)構(gòu)的傳感型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
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