【摘要】：光通信技術(shù)飛速發(fā)展,現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信速度和容量的需求與日俱增。傳統(tǒng)的電學(xué)信號(hào)的處理速度和通信帶寬有局限性。光子集成電路(Photonic Integrated Circuit,PIC)將有源光器件、無源光器件和電子元件集成在一個(gè)芯片上,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的開關(guān)、放大和傳感等功能。同時(shí)電子器件之間通過光波導(dǎo)高速率通信,相較于電路的傳輸具有信息容量大、通信速率快等特點(diǎn),提升了電路整體性能。PIC是未來光通信系統(tǒng)和集成電路系統(tǒng)互聯(lián)的技術(shù)方向。光波導(dǎo)傳感器是光子集成電路的重要光學(xué)原件,有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、不受電磁信號(hào)影響等優(yōu)勢(shì)�，F(xiàn)階段光波導(dǎo)傳感器大多數(shù)是基于無機(jī)物襯底上的。有機(jī)聚合物材料具有成本低廉的優(yōu)勢(shì),而基于有機(jī)襯底的傳統(tǒng)光波導(dǎo)傳感器靈敏度不高。本論文主要研究MZI(Mach-Zehnder Interferometer)波導(dǎo)的器件結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)優(yōu)化并制備靈敏度高、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的全聚合物光波導(dǎo)傳感器。全聚合物光波導(dǎo)傳感器的芯層波導(dǎo)通過三個(gè)表面接觸待測(cè)液體,相對(duì)于一個(gè)表面接觸待測(cè)液體的矩形和倒脊型結(jié)構(gòu)靈敏度分別提升5.50,5.24倍�；诖私Y(jié)構(gòu)的非對(duì)稱MZI傳感器結(jié)構(gòu)在Y分支的直波導(dǎo)部分設(shè)計(jì)曲線結(jié)構(gòu),引入長(zhǎng)度差提高靈敏度。經(jīng)過理論優(yōu)化,兩分支長(zhǎng)度差為19.8μm時(shí),在折射率為1.470-1.545區(qū)間時(shí),傳感靈敏度達(dá)到最大。然后基于光刻和濕法刻蝕工藝制作了這種器件,并使用PMMA薄膜優(yōu)化了封裝工藝。用不同折射率的苯甲醛和乙醇互溶液對(duì)器件輸出功率進(jìn)行測(cè)試,得到實(shí)際靈敏度為791.0d B/RIU,傳感器分辨率為1.26×10-6RIU。最后,在理論上優(yōu)化了對(duì)稱型MZI和非對(duì)稱型MZI兩種聚合物傳感器結(jié)構(gòu),將理論傳感靈敏度提高到了1200d B/RIU以上。
[Abstract]:With the rapid development of optical communication technology, the demand for communication speed and capacity is increasing in modern society. The processing speed and communication bandwidth of traditional electrical signals are limited. Photonic integrated circuit (Photonic Integrated Circuit,PIC) integrates active optical devices, passive optical devices and electronic components on a single chip to realize the functions of signal switching, amplifying and sensing. At the same time, electronic devices communicate with each other through optical waveguides at high speed, which improves the overall performance of the circuit because of its large information capacity and high communication rate. PIC is the technical direction of interconnection between optical communication system and integrated circuit system in the future. Optical waveguide sensor is an important optical component of photonic integrated circuits, which has the advantages of high sensitivity, simple structure, fast response speed and no influence of electromagnetic signals. At present, most optical waveguide sensors are based on inorganic substrate. Organic polymer materials have the advantage of low cost, but the sensitivity of traditional optical waveguide sensors based on organic substrates is not high. In this paper, the device structure of MZI (Mach-Zehnder Interferometer) waveguide is studied, and the all-polymer optical waveguide sensor with high sensitivity, simple process and low cost is designed and fabricated. The core waveguide of the full polymer optical waveguide sensor contacts with the liquid to be measured through three surfaces, and the sensitivity of the rectangular structure and the inverted ridge structure of the whole polymer optical waveguide sensor is 5.50 ~ 5.24 times higher than that of one surface contact liquid. The asymmetric MZI sensor structure based on this structure is used to design the curve structure in the straight waveguide of Y branch, and the length difference is introduced to improve the sensitivity. After theoretical optimization, when the length difference between the two branches is 19.8 渭 m and the refractive index is 1.470-1.545, the sensing sensitivity reaches the maximum. Then the device is fabricated based on photolithography and wet etching, and the packaging process is optimized by using PMMA thin film. The output power of the device was measured with benzaldehyde and ethanol solution with different refractive index. The practical sensitivity was 791.0 dB / RIU.The sensor resolution was 1.26 脳 10 ~ (-6) RIU. Finally, two kinds of polymer sensor structures, symmetric MZI and asymmetric MZI, are optimized theoretically, and the theoretical sensing sensitivity is increased to more than 1200 d B/RIU.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP212

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