本文選題：光子晶體傳感器 + 二維光子晶體��； 參考：《燕山大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：光學(xué)傳感器是多學(xué)科綜合交叉的產(chǎn)物,其具有安全性高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。利用光子晶體的禁帶特性和局域特性,可以控制光子的傳播情況,制作性能突出的光子晶體傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),其具有傳輸速度快,能量損耗低,傳輸頻帶寬,抗干擾能力強(qiáng),信息容量大,響應(yīng)速度快,體積小,集成度高,價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為光學(xué)傳感領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。因此,本文在研究光子晶體特性和光子晶體波導(dǎo)傳輸損耗理論基礎(chǔ)上,圍繞光子晶體波導(dǎo)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及優(yōu)化,提出了光子晶體波導(dǎo)MZI傳感器結(jié)構(gòu)模型,并對(duì)其傳感特性進(jìn)行分析。主要研究工作如下:首先,利用平面波展開(kāi)法和時(shí)域有限差分法(FDTD),研究完整光子晶體的禁帶特性和缺陷態(tài)光子晶體的傳輸特性,提出光子晶體波導(dǎo)MZI的結(jié)構(gòu)模型,分析了結(jié)構(gòu)的傳輸特性,對(duì)光子晶體直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)的傳輸損耗在理論和模擬上進(jìn)行分析,進(jìn)而對(duì)光子晶體波導(dǎo)MZI結(jié)構(gòu)的傳輸損耗進(jìn)行理論分析。其次,結(jié)合FDTD對(duì)光子晶體波導(dǎo)MZI傳輸特性進(jìn)行數(shù)值模擬,用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,利用訓(xùn)練后的BP算法對(duì)光子晶體MZI結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以得到最大歸一化傳輸透射率的光子晶體波導(dǎo)MZI結(jié)構(gòu)為目標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)的空氣孔填充率進(jìn)行優(yōu)化。最后,采用優(yōu)化之后的光子晶體波導(dǎo)MZI模型為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了單臂刻槽和雙臂刻槽的光子晶體波導(dǎo)MZI傳感器,分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)傳感器的傳感理論進(jìn)行推導(dǎo),采用生物樣本溶液作為待測(cè)物,對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的傳感特性進(jìn)行對(duì)比分析,最后得到傳感性能優(yōu)異的光子晶體波導(dǎo)MZI傳感器。
[Abstract]:Optical sensor is a product of multi-disciplinary synthesis, which has been widely used in many fields because of its high safety, fast detection speed and easy operation. By using the band gap and local characteristics of photonic crystals, the propagation of photons can be controlled, and a photonic crystal sensor with outstanding performance can be made to detect the parameters in real time. It has the advantages of high transmission speed and low energy loss. Because of its advantages such as high bandwidth, strong anti-interference ability, large information capacity, fast response speed, small volume, high integration and low price, it has become a hot research topic in the field of optical sensing. Therefore, the structure of photonic crystal waveguide Mach Zehnder interferometer (MZI) is designed and optimized based on the study of photonic crystal characteristics and transmission loss theory of photonic crystal waveguide. The structure model of photonic crystal waveguide MZI sensor is presented and its sensing characteristics are analyzed. The main research work is as follows: firstly, using the plane wave expansion method and the finite difference time-domain (FDTD) method, the band gap characteristics of the complete photonic crystal and the propagation characteristics of the defect state photonic crystal are studied, and the structure model of the photonic crystal waveguide MZI is proposed. The transmission loss of photonic crystal direct waveguide and curved waveguide is analyzed theoretically and simulated, and the transmission loss of photonic crystal waveguide MZI structure is analyzed theoretically. Secondly, the propagation characteristics of photonic crystal waveguide MZI are numerically simulated with FDTD, which is used for BP neural network training. The structure parameters of photonic crystal MZI are optimized by the trained BP algorithm. Aiming at the MZI structure of photonic crystal waveguide with maximum normalized transmission transmittance, the air hole filling rate of the structure is optimized. Finally, based on the optimized MZI model of photonic crystal waveguide, the single-arm grooves and double-arm grooves are designed, and the sensing theories of the two kinds of sensors are deduced. The sensing characteristics of the two structures were compared and analyzed by using biological sample solution as the object to be tested. Finally, a photonic crystal waveguide MZI sensor with excellent sensing performance was obtained.
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2053087