光子晶體傳感器因具有高靈敏度、超緊湊尺寸、易于集成等優(yōu)勢(shì),在生化、壓力、溫度等傳感領(lǐng)域有著較高的使用價(jià)值�；诠庾泳w分束器與微腔傳感器的復(fù)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為光子晶體大規(guī)模集成器件研究提供了可能。本文對(duì)光子晶體微腔傳感器、光子晶體分束器及基于光子晶體分束器與微腔傳感器的串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析,并對(duì)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了初步分析。本文的研究成果主要包括如下幾個(gè)方面:首先,提出了一種光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器結(jié)構(gòu),并分析了其傳感性能。多小孔缺陷腔是在直接耦合H1微腔中引入六個(gè)直徑遠(yuǎn)小于晶格常數(shù)的空氣孔而成。通過(guò)改變小空氣孔半徑rmini及缺陷腔兩側(cè)空氣孔沿x或-x方向移動(dòng)的距離L,利用時(shí)域有限差分法對(duì)多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值結(jié)果表明,最優(yōu)化多小孔缺陷腔的品質(zhì)因數(shù)Q大于7×104,同時(shí)靈敏度S可達(dá)233nm/RIU。接著通過(guò)觀察傳感器的傳感質(zhì)量靈敏度和折射率靈敏度S與傳感區(qū)域變化的關(guān)系,最終確定了最佳傳感區(qū)域。當(dāng)最優(yōu)化二維光子晶體多小孔缺陷直接耦合微腔傳感器用最佳傳感區(qū)域進(jìn)行傳感時(shí),傳感器的靈敏度S為213.4nm/RIU,傳感器性能參數(shù)FOM大于104,較其他文獻(xiàn)中的[1-5]直接耦合型微腔傳感器提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其次,基于光子晶體波導(dǎo)設(shè)計(jì)了一種光子晶體1×3分束器結(jié)構(gòu)。該分束器結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方法是:在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入光子晶體波導(dǎo)形成1×3分支通道,然后在各分支波導(dǎo)連接處引入合適角度和大小的三角形柱,用以有效地引導(dǎo)光進(jìn)入各分支波導(dǎo)。通過(guò)改變分束器結(jié)構(gòu)內(nèi)兩直角三角形柱的折射率n對(duì)光子晶體分束器的總輸出功率進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明,當(dāng)兩直角三角形柱的折射率n等于1.12時(shí),光子晶體1×3分束器在1550nm處的總輸出功率達(dá)到99.66%。研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)調(diào)整兩直角三角形柱與水平中心線的垂直距離d,分束器可實(shí)現(xiàn)在指定頻率點(diǎn)的功率均勻分配。以1550nm為例,本文優(yōu)化設(shè)計(jì)后的光子晶體1×3分束器能在包括指定均分波長(zhǎng)1550nm在內(nèi)的6個(gè)工作波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)功率均勻分配,且三通道總輸出功率均大于99%。此外,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的光子晶體1×3分束器在1538nm到1638nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)三輸出通道透射譜平穩(wěn),三通道間輸出功率相差不大,可用于光子晶體集成傳感復(fù)用。然后,基于前面設(shè)計(jì)的高性能光子晶體微腔傳感器和高效率光子晶體1×3分束器結(jié)構(gòu),通過(guò)在光子晶體1×3分束器的三個(gè)并聯(lián)輸出通道分別串聯(lián)一個(gè)最優(yōu)化光子晶體多小孔直接耦合微腔傳感器,本文提出了一種光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)。三個(gè)多小孔微腔均采用最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)但晶格常數(shù)不同,從而使三個(gè)微腔均有最優(yōu)的傳感性能的同時(shí)具有不同的諧振頻率。利用時(shí)域有限差分法研究發(fā)現(xiàn),串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)三個(gè)傳感單元的Q值分別為55724,55066,62039,折射率靈敏度 S 分別為 229nm/RIU,224nm/RIU,228nm/RIU。因此三個(gè)傳感單元的FOM分別為8179,8000,9119,較其他串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)[6-7]均提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,各多小孔缺陷微腔傳感單元之間沒(méi)有干擾,能夠同步進(jìn)行高性能傳感檢測(cè),提高了檢測(cè)效率和傳感系統(tǒng)的集成度。最后,對(duì)本文提出的光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的穩(wěn)定性研究。仿真結(jié)果表明,當(dāng)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機(jī)制作誤差時(shí),各多小孔缺陷腔的Q值約為4×104。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)時(shí)有所降低,但相對(duì)其他直接耦合型微腔[1-5]和其他串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)[6-7]中的微腔依舊有大幅提升。三個(gè)多小孔缺陷微腔傳感單元仍然能夠互不干擾地同步進(jìn)行折射率傳感,其折射率靈敏度S分別為231nm/RIU,224nm/RIU,229nm/RIU,較標(biāo)準(zhǔn)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)時(shí)稍有增加。三個(gè)傳感器的傳感性能參數(shù)FOM相差不大,分別為5775,5600,5725,相對(duì)正常參數(shù)時(shí)FOM8000有所降低,但相對(duì)于其他串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)[6-7]的FOM也提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,當(dāng)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機(jī)制作誤差時(shí),其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的各諧振峰波長(zhǎng)偏移距離很小,均在2nm以?xún)?nèi)�？傊�,當(dāng)本文設(shè)計(jì)的光子晶體分束器與微腔傳感器串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(rmini、L、d)有±5nm隨機(jī)制作誤差時(shí),串并聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)的性能能夠保持相對(duì)穩(wěn)定,各多小孔缺陷微腔傳感器能夠互不干擾地同步進(jìn)行高性能傳感檢測(cè),可應(yīng)用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)傳感檢測(cè)研究。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O734;TP212
【部分圖文】：

圖１－２?—維、二維、三維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖［２２］??根據(jù)電介質(zhì)排布方式的不同，光子晶體有一維、二維、三維之分，具體結(jié)構(gòu)??示意圖如圖１－２所示。一維光子晶體是將不同介電常數(shù)的兩種電介質(zhì)在一維空間??交替排列而成；二維光子晶體則是將不同介電常數(shù)的兩種電介質(zhì)在二維空間交替??排列而成，二維光子晶體的典型結(jié)構(gòu)是在空氣背景中由一些圓的或方的介質(zhì)柱排??列成三角晶格或四方晶格，或者由空氣孔在介質(zhì)背景中規(guī)則陳列構(gòu)成，？將不同介??２??

１４７ｎｍ，娃板厚度?ｒ＝?２４０ｎｍ??２．１．２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)性能分析??圖２－２是利用Ｒｓｏｆｔ的Ｂａｎｄｓｏｌｖｅ模塊，通過(guò)平面波展開(kāi)法計(jì)算得到的圖２－１??所示完美光子晶體結(jié)構(gòu)在ＴＥ極化下的能帶結(jié)構(gòu)圖。圖２－２的縱軸表示歸一化頻??率ｇ／Ａ�？梢钥吹�，該完美光子晶體結(jié)構(gòu)的光子帶隙ＰＢＧ范圍為０．２５７？０．２３４，??對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍是１３５０ｎｍ至１７９０ｎｍ，４４０ｒａｎ寬的禁帶范圍可以用作傳感結(jié)構(gòu)??設(shè)計(jì)。??完美光子晶體ＴＥ模能帶結(jié)構(gòu)??０．６?????？?０．５??Ｉ！????！?０．３?４??ｉｔ?〇．ｉ??０．。＾＾???ｒ?Ｋ??圖２－２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ仿真軟件是一種基于時(shí)域有限差分法的商業(yè)仿真軟件。本文使用??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ的ＦＤＴＤ模塊對(duì)光子晶體的電場(chǎng)分布、透射譜、２值等進(jìn)行仿真分析。??圖２－３是用Ｍａｔｌａｂ繪制的利用；ＦＤＴＤ方法計(jì)算得到的圖２－１中完美光子晶體結(jié)??構(gòu)的透射曲線。??１１??

?丨丨丨丨丨丨丨ｆｉ＿＿＿ｉｊ？ｉｍｉｉｉｉｉｉｉｗ＿ｉｉｉｉｍｉ＿ｉｍｉｉ????Ｉ??圖２－１二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖，其中晶格常數(shù)ａ?＝?４６０ｎｍ，空氣孔半徑ｒ?＝?０．３２ａ?＝??１４７ｎｍ，娃板厚度?ｒ＝?２４０ｎｍ??２．１．２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)性能分析??圖２－２是利用Ｒｓｏｆｔ的Ｂａｎｄｓｏｌｖｅ模塊，通過(guò)平面波展開(kāi)法計(jì)算得到的圖２－１??所示完美光子晶體結(jié)構(gòu)在ＴＥ極化下的能帶結(jié)構(gòu)圖。圖２－２的縱軸表示歸一化頻??率ｇ／Ａ。可以看到，該完美光子晶體結(jié)構(gòu)的光子帶隙ＰＢＧ范圍為０．２５７？０．２３４，??對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍是１３５０ｎｍ至１７９０ｎｍ，４４０ｒａｎ寬的禁帶范圍可以用作傳感結(jié)構(gòu)??設(shè)計(jì)。??完美光子晶體ＴＥ模能帶結(jié)構(gòu)??０．６?????？?０．５??Ｉ！????！?０．３?４??ｉｔ?〇．ｉ??０．。＾＾???ｒ?Ｋ??圖２－２二維完美光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ仿真軟件是一種基于時(shí)域有限差分法的商業(yè)仿真軟件。本文使用??Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ的ＦＤＴＤ模塊對(duì)光子晶體的電場(chǎng)分布、透射譜、２值等進(jìn)行仿真分析。??圖２－３是用Ｍａｔｌａｂ繪制的利用；ＦＤＴＤ方法計(jì)算得到的圖２－１中完美光子晶體結(jié)??構(gòu)的透射曲線。??１１??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 周興平;疏靜;;基于光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng)的新型1×3分束器[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年04期

本文編號(hào)：2843583