光開關(guān)、光集成器件廣泛應(yīng)用于日益迅速增長(zhǎng)的光通信系統(tǒng)中。包含光放大器、光開光等波導(dǎo)器件的有源集成光波導(dǎo)芯片是光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中可重構(gòu)型光交叉復(fù)用模塊的主要組成部分,在光通信、光傳感領(lǐng)域中受到了廣泛關(guān)注。在過(guò)去的幾十年中,光學(xué)傳感技術(shù)在環(huán)境和工業(yè)監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療保健(例如疾病診斷和生物醫(yī)學(xué))應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。集成光波導(dǎo)生物傳感器因?yàn)槠涑⌒统叽?高靈敏度,無(wú)標(biāo)簽檢測(cè),樣品消耗量低,抗電磁干擾,制造過(guò)程與CMOS技術(shù)兼容可實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模制造等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究,同時(shí)也可以與其他設(shè)備如光源,檢測(cè)器和微流控單元集成在同一芯片上實(shí)現(xiàn)低成本、可便攜、用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用的芯片實(shí)驗(yàn)室模塊。基于這種研究方向和目的,本論文設(shè)計(jì)了有源集成型光波導(dǎo)芯片,對(duì)制備器件的材料特性以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程分別進(jìn)行了介紹,并對(duì)最終設(shè)計(jì)的折射率傳感型器件的傳感特性進(jìn)行了分析與研究。1.基于光波導(dǎo)模式理論,對(duì)非對(duì)稱三層平板波導(dǎo)的特征方程進(jìn)行了分析,利用有效折射率法對(duì)矩形波導(dǎo)導(dǎo)模特征方程進(jìn)行了推導(dǎo),計(jì)算了脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模式,分析傳感型波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu),介紹了光波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)傳感功能的工作原理,即消逝場(chǎng)原理。闡述了熱光效應(yīng)的工作形式及其原理,對(duì)馬赫曾德爾干涉(MZI)型波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,分析了光開關(guān)器件的工作原理。對(duì)基于干涉結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)器件進(jìn)行了分析,介紹了基于多模干涉(MMI)結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)器件的工作方式,并對(duì)其實(shí)現(xiàn)折射率傳感功能的工作原理進(jìn)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(dǎo)(DLSPPW)結(jié)構(gòu)的全聚合物熱光開關(guān)陣列器件。利用光學(xué)仿真軟件對(duì)器件的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,低損耗氟化光敏聚合物(FSU-8/FBPA-PC EP)和有機(jī)-無(wú)機(jī)接枝改性PMMA材料被分別用作聚合物波導(dǎo)的芯層和包層。對(duì)材料的制備流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,表征了材料的光學(xué)和熱學(xué)特性,測(cè)得了材料較低的吸收損耗和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。通過(guò)截?cái)喾y(cè)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(shí)間分別為287μs和370μs。驅(qū)動(dòng)功率為5.6mW,消光比為13.5 dB。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、低損耗的多功能波導(dǎo)型光開關(guān)陣列適合實(shí)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(cè)試過(guò)程中獲得的對(duì)波長(zhǎng)敏感的微小電流現(xiàn)象使得DLSPPW結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)多功能集成傳感和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面表現(xiàn)得更具研究意義。3.設(shè)計(jì)了具有損耗補(bǔ)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(dǎo)芯層材料,摻鉺共聚物(GETPM)材料作為波導(dǎo)上包層材料,在減小器件損耗的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件損耗的補(bǔ)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(duì)FSU-8/FBPA-PC EP材料的特性、開關(guān)器件的理論設(shè)計(jì)和工藝制備等方面進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)開關(guān)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析和測(cè)試,測(cè)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(guò)不同摻雜濃度的FSU-8/FBPA-PC EP的不同折射率,計(jì)算波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率。優(yōu)化波導(dǎo)、電極尺寸,設(shè)計(jì)熱光開關(guān)器件結(jié)構(gòu)。測(cè)試開關(guān)器件,得到方波電壓500 Hz條件下的開關(guān)響應(yīng),上升和下降時(shí)間分別為396和461μs。插入損耗約為6dB,消光比為14dB,驅(qū)動(dòng)功率約為6.5 mW。在1530nm處測(cè)得器件最大的相對(duì)光增益為1.9dB,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的損耗補(bǔ)償功能。4.在上述兩部分材料性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上,提出了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的基于金屬包層定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有源功能集成光波導(dǎo)芯片,對(duì)器件中光放大器,光開關(guān)和傳感區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。闡述了金屬包層定義型波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)思路和模擬分析,詳細(xì)分析了該結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)模式,用光學(xué)仿真軟件對(duì)MMI結(jié)構(gòu)的光開關(guān)及光放大器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)器件進(jìn)行了制備與測(cè)試分析。給出了器件制備詳細(xì)的工藝流程,精確控制各個(gè)參數(shù),包括制備所需材料,制備條件,實(shí)驗(yàn)設(shè)備等等。對(duì)直波導(dǎo)光放大器的部分和MMI型熱光開關(guān)的部分分別進(jìn)行了測(cè)試,當(dāng)輸入信號(hào)光功率為1mW時(shí),測(cè)得光放大器最大的相對(duì)增益為3.6dB。對(duì)于MMI型熱光波導(dǎo)開關(guān)部分,通過(guò)施加頻率為300 Hz的方波電壓測(cè)到熱光響應(yīng),上升和下降時(shí)間分別為511和341μs。消光比為20 dB,開關(guān)功率為23.5mW。對(duì)金屬包層定義型波導(dǎo)器件的傳感區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與測(cè)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(diǎn)設(shè)計(jì)了器件傳感區(qū)結(jié)構(gòu)的各個(gè)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(cè)極限分別為2.5×10~(-4)和1.3×10~(-7) RIU。器件在對(duì)應(yīng)于輸出光功率5dB的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貝母甲素的濃度范圍(10-25 mg/L)有效地檢測(cè)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN252
【部分圖文】：

圖 1.1 光波導(dǎo)傳感器分類示意圖1.基于 MZI 結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傳感器[27]：MZI 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是廣泛應(yīng)用于生化傳感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之一，器件結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，選擇其中一個(gè)分支波導(dǎo)作為參考臂，另一個(gè)分支波導(dǎo)作為傳感臂。測(cè)試器件時(shí)，兩臂之間的相位差因待測(cè)物改變時(shí)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度或諧振波長(zhǎng)的改變反映了待測(cè)物的信息，例如種類或者濃度。器件的傳感機(jī)理是待測(cè)物發(fā)生改變時(shí)，傳感臂波導(dǎo)的折射率隨之發(fā)生變化，從而使得通過(guò)傳感臂的光程發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，而光相移變化的產(chǎn)生隨之而來(lái)的則是輸出端光強(qiáng)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)輸出端光強(qiáng)而得到待測(cè)物的信息。在消逝波檢測(cè)過(guò)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(guò)生物分子相互作用引起消逝場(chǎng)區(qū)域巨大的有效折射率變化。

圖 1.1 光波導(dǎo)傳感器分類示意圖1.基于 MZI 結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傳感器[27]：MZI 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是廣泛應(yīng)用于生化傳感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之一，器件結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示，選擇其中一個(gè)分支波導(dǎo)作為參考臂，另一個(gè)分支波導(dǎo)作為傳感臂。測(cè)試器件時(shí)，兩臂之間的相位差因待測(cè)物改變時(shí)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度或諧振波長(zhǎng)的改變反映了待測(cè)物的信息，例如種類或者濃度。器件的傳感機(jī)理是待測(cè)物發(fā)生改變時(shí)，傳感臂波導(dǎo)的折射率隨之發(fā)生變化，從而使得通過(guò)傳感臂的光程發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，而光相移變化的產(chǎn)生隨之而來(lái)的則是輸出端光強(qiáng)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)輸出端光強(qiáng)而得到待測(cè)物的信息。在消逝波檢測(cè)過(guò)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(guò)生物分子相互作用引起消逝場(chǎng)區(qū)域巨大的有效折射率變化。

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文42.基于光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傳感器[28]：光柵型光波導(dǎo)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(guò)干法或者濕法刻蝕的工藝流程制備在波導(dǎo)的表面或其側(cè)壁上。光柵型波導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)一般適用于對(duì)待測(cè)物體折射率的測(cè)量，引入的待測(cè)物會(huì)改變波導(dǎo)傳輸光的耦合狀態(tài)，然后改變傳感器最終的輸出光強(qiáng)或者光譜。其中短周期光柵將信號(hào)反射回輸入端，長(zhǎng)周期光柵則是將信號(hào)光耦合到包層中耗散掉。圖 1.3 光柵結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)傳感器3.基于狹縫結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傳感器[29]：狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一般都是采用無(wú)機(jī)材料來(lái)制備。兩條平行的無(wú)機(jī)波導(dǎo)間距達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)中有很大一部分將集中在波導(dǎo)之間的狹縫中傳輸。而狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光場(chǎng)與待測(cè)物接觸會(huì)非常充分，這使得基于狹縫結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)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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本文編號(hào)：2886191