【摘要】：人類如今正在全面進(jìn)入信息化、智能化社會的“大數(shù)據(jù)時(shí)代”,傳感器技術(shù)作為信息化社會的“感官”,同時(shí)也是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大核心支柱技術(shù)之一,在過去十幾年的時(shí)間里得到了飛速而迅猛的發(fā)展,各類測量溫度、折射率、濕度、分子濃度、應(yīng)力等物理、化學(xué)、生物參量的光學(xué)傳感器在環(huán)境檢測、醫(yī)療診治、安保安防及航空航天等諸多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。硅基集成光子器件因其超小的器件尺寸,極低的片上傳輸損耗,同傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的CMOS工藝相兼容以及大規(guī)模低成本制造的潛力等,近年已經(jīng)成為集成光學(xué)領(lǐng)域最具有前景的熱點(diǎn)方向,并在光互連、光通信及光傳感等方面得到了廣泛的應(yīng)用。光學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用過程中往往需要克服不同外部環(huán)境參數(shù)交叉影響的問題,本文基于硅基光子集成器件平臺,分別提出并設(shè)計(jì)了基于硅基微環(huán)諧振腔與硅基一維光子晶體納米梁諧振腔的集成型多參數(shù)傳感器件,通過將相應(yīng)器件應(yīng)用于溫度、折射率和濕度傳感測量,實(shí)現(xiàn)了對不同外部環(huán)境參數(shù)的同時(shí)傳感檢測。首先,本文介紹了平面光波導(dǎo)的基本理論和常用的數(shù)值仿真計(jì)算方法,闡述了硅納米線波導(dǎo)的基本特性及微環(huán)諧振腔與光子晶體納米梁諧振腔的基本特性。此外介紹了制作硅基集成光子器件的光刻膠旋涂、電子束曝光、干法刻蝕等主要工藝流程。然后,提出了利用硅納米線波導(dǎo)的TE偏振與TM偏振進(jìn)行雙參數(shù)傳感的技術(shù)思路,設(shè)計(jì)了硅基雙偏振微環(huán)諧振腔,通過對波導(dǎo)寬度與耦合區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸的合理設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對微環(huán)諧振腔中TE基模與TM基模的同時(shí)、有效激發(fā),在此基礎(chǔ)上利用NaCl水溶液對器件的性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了測試標(biāo)定,擬合得到的折射率靈敏度為319±14nm/RIU和104±3nm/RIU,溫度靈敏度為34.1±0.7pm/℃和78.7±0.5pm/℃,驗(yàn)證了器件對折射率和溫度進(jìn)行同時(shí)傳感測量的功能。接著,提出了利用硅基一維光子晶體納米梁諧振腔的空氣模式與介質(zhì)模式進(jìn)行雙參數(shù)傳感的技術(shù)思路,設(shè)計(jì)了硅基級聯(lián)耦合型光子晶體納米梁諧振腔,通過對空氣模式納米梁腔和介質(zhì)模式納米梁腔的合理設(shè)計(jì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對兩種諧振腔的分別激發(fā)和諧振,在此基礎(chǔ)上利用葡萄糖水溶液對器件的性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了測試標(biāo)定,擬合得到的折射率靈敏度為254.6±9.2nm/RIU和 105.5±3.1nm/RIU,溫度靈敏度為30.1 ±0.4pm/℃和56.4 ±0.5pm/℃驗(yàn)證了器件對折射率和溫度進(jìn)行同時(shí)傳感測量的功能。最后,對提出的硅基雙偏振微環(huán)諧振腔進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,探索了將聚乙烯醇旋涂到硅基基片表面作為薄膜上包層的實(shí)驗(yàn)工藝,在此基礎(chǔ)上通過測試初步驗(yàn)證了器件對濕度和溫度進(jìn)行傳感測量的功能。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212
【圖文】：

研究中使用了邋ＳＰＲ傳感技術(shù)［４］。到了邋１９９０年代，隨著技術(shù)的不斷成熟，Ｈｏｒｉｂａ、ＳｅｎｓｉＱ、逡逑ＢｉＯｐｔｉｘ和Ｓｅｎｓａｔａ等公司陸續(xù)推出了商用化的ＳＰＲ傳感檢測產(chǎn)品。目前在ＳＰＲ傳感技術(shù)逡逑中，激發(fā)表面等離子波的耦合技術(shù)主要有如圖１．１所示的棱鏡耦合、光柵耦合和波導(dǎo)耦合逡逑三種［５］。在這三種耦合方式之中，棱鏡耦合因其設(shè)計(jì)加工方便、結(jié)構(gòu)簡單可靠及檢測精度逡逑高等優(yōu)點(diǎn)而在ＳＰＲ傳感研究和商用化產(chǎn)品中得到了最為廣泛的應(yīng)用。逡逑Ｌｉｇｈｔ逡逑Ｌｉ９ｈｔ邐Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邐、逡逑７＼ｌ邋／邋Ｊ逡逑４ｉｎｉ逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．１邋ＳＰＲ傳感器的主要耦合方式［５］：邋（ａ）棱鏡耦合；（ｂ）光柵耦合和（ｃ）棱鏡耦合。逡逑盡管ＳＰＲ傳感具有探測精度高、實(shí)時(shí)動態(tài)性能好和易于同其它技術(shù)連用的優(yōu)點(diǎn)，但逡逑是對于精密光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的依賴、體積大難以實(shí)現(xiàn)便攜化以及難以大規(guī)模生產(chǎn)制造等缺點(diǎn)逡逑也限制了其更大范圍的應(yīng)用。逡逑１．１．２光纖傳感簡介逡逑光纖，是利用光的全內(nèi)反射原理制作的一種具有圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)纖維，其最常逡逑用的材料為石英破璃。一般光纖結(jié)構(gòu)從其幾何圓柱形中心由內(nèi)至外可以分為纖芯、包層和逡逑涂覆層三層結(jié)構(gòu)。光纖纖芯為經(jīng)一定程度雜質(zhì)摻雜以獲得較高折射率的光傳輸層，其直徑逡逑２逡逑

圖１．２光纖傳感原理示意圖逡逑光纖傳感的本質(zhì)是將光纖作為媒介來感應(yīng)外部環(huán)境參量的變化。光纖傳感的基本原理逡逑示意圖如圖１．２所示，當(dāng)入射光信號進(jìn)入光纖后，光纖將外部環(huán)境參量（如溫度、折射率逡逑和應(yīng)力等）的變化直接或間接地作用于在其內(nèi)部傳輸?shù)碾姶艌�，使其相位、振幅、偏振或逡逑波長等特征參數(shù)改變并將改變后的信息傳遞輸出，再在接收端使用相應(yīng)的解調(diào)設(shè)備解調(diào)輸逡逑出光信號進(jìn)而反演出光纖所經(jīng)歷的外部環(huán)境參量變化情況。在上世紀(jì)八十年代，基于光波逡逑干涉原理的光纖陀螺儀［７］、光纖水聽器［８］、光纖應(yīng)變儀１９１等新型軍用探測設(shè)備的相繼問世逡逑極大地推動了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過數(shù)十年來理論和技術(shù)的不斷深入和完善，逐步形逡逑成了針對傳輸光信號相位、振幅、偏振或波長等的多種類光纖傳感技術(shù)，并借助不同的原逡逑理和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對物理、化學(xué)和生物諸多參量的傳感測量ｌｌｔＭ２］。如今的光纖傳感器大致逡逑可以分為干涉型光纖傳感器、光纖光柵傳感器和特種光纖傳感器三大類。逡逑干涉型光纖傳感器在外部環(huán)境參量的變化作用于傳感探測部位時(shí)會引起光信號的相逡逑位或光程發(fā)生變化，通過檢測干涉光信號相位或光程變化引起的輸出效果（通常為光強(qiáng)度）逡逑變化

＼ｊ逡逑Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ邋Ｂｅｎｄｉｎｇ逡逑圖１．２光纖傳感原理示意圖逡逑光纖傳感的本質(zhì)是將光纖作為媒介來感應(yīng)外部環(huán)境參量的變化。光纖傳感的基本原理逡逑示意圖如圖１．２所示，當(dāng)入射光信號進(jìn)入光纖后，光纖將外部環(huán)境參量（如溫度、折射率逡逑和應(yīng)力等）的變化直接或間接地作用于在其內(nèi)部傳輸?shù)碾姶艌�，使其相位、振幅、偏振或逡逑波長等特征參數(shù)改變并將改變后的信息傳遞輸出，再在接收端使用相應(yīng)的解調(diào)設(shè)備解調(diào)輸逡逑出光信號進(jìn)而反演出光纖所經(jīng)歷的外部環(huán)境參量變化情況。在上世紀(jì)八十年代，基于光波逡逑干涉原理的光纖陀螺儀［７］、光纖水聽器［８］、光纖應(yīng)變儀１９１等新型軍用探測設(shè)備的相繼問世逡逑極大地推動了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過數(shù)十年來理論和技術(shù)的不斷深入和完善，逐步形逡逑成了針對傳輸光信號相位、振幅、偏振或波長等的多種類光纖傳感技術(shù)，并借助不同的原逡逑理和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對物理、化學(xué)和生物諸多參量的傳感測量ｌｌｔＭ２］。如今的光纖傳感器大致逡逑可以分為干涉型光纖傳感器、光纖光柵傳感器和特種光纖傳感器三大類。逡逑干涉型光纖傳感器在外部環(huán)境參量的變化作用于傳感探測部位時(shí)會引起光信號的相逡逑位或光程發(fā)生變化

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 郭士亮;胡春海;李欣;王文娟;;串聯(lián)雙微環(huán)濕度傳感器光譜特性研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2014年11期

2 肖沛,孫霞,閆繼紅,丁澤軍;電子束光刻中鄰近效應(yīng)校正的幾種方法[J];電子顯微學(xué)報(bào);2005年05期

本文編號：2776385