發(fā)布時(shí)間：2020-08-29 10:00

　　 在人類(lèi)的發(fā)展歷程中,從未停止過(guò)對(duì)世界的探索,傳感技術(shù)的發(fā)展極大的推動(dòng)了人們感知世界的進(jìn)程。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái),人們希望借助性能優(yōu)良的傳感器與信息通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物皆可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器因其信息處理速度慢、體積大、性能不穩(wěn)定等弊端,很難滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器的需求,而集成型傳感器因其結(jié)構(gòu)小巧、可多參量傳感、信息處理量大、傳感性能好等優(yōu)勢(shì)受到了越來(lái)越多的重視,它成為傳感技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。如何進(jìn)一步降低傳感器尺寸、降低批量生產(chǎn)成本、提高傳感性能和提高穩(wěn)定性是集成型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵因素。微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、傳感性能好等優(yōu)勢(shì),在光傳感、激光器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,它極大降低了傳感器結(jié)構(gòu)的尺寸,方便在各場(chǎng)景中布局傳感器,其驚人的研究進(jìn)展和巨大的市場(chǎng)潛力為傳感器微型化提供了巨大的推動(dòng)力。本文研究了基于微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的傳感技術(shù),并研究了其傳感應(yīng)用,主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下:1、研究了微納光纖耦合器(MicrofiberCoupler,MFC)結(jié)構(gòu),建模分析其z1合過(guò)程和傳輸特性,分析其折射率傳感機(jī)理。以低濃度氨氣檢測(cè)為例,開(kāi)展涂覆型MFC氣體傳感應(yīng)用研究。采用“微加熱刷”技術(shù)制備腰錐直徑3μm、錐區(qū)長(zhǎng)度25mm的弱z1合型MFC,利用化學(xué)方法制備對(duì)氨氣靈敏的不同粘稠度的硅溶膠凝膠(Silica gel),研究在整個(gè)MFC錐區(qū)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)均勻涂覆增敏材料的技術(shù)。設(shè)計(jì)基于涂覆型MFC的氨氣傳感器并研究其傳感性能,當(dāng)涂層厚度為90nm時(shí),傳感結(jié)構(gòu)氨氣響應(yīng)的靈敏度達(dá)2.23 ram/ppm、最高分辨達(dá)到5 ppb,比傳統(tǒng)的涂覆型光纖傳感器分辨率提升了3個(gè)量級(jí),具有良好的可重復(fù)性和氣體選擇特性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂覆層厚度對(duì)傳感靈敏度影響很大,通過(guò)控制涂覆層厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感靈敏度的調(diào)控。同時(shí),分析了涂覆型MFC的溫度、濕度響應(yīng)特性,MFC輸出光譜對(duì)于溫度增加具有線性紅移響應(yīng),靈敏度達(dá)到0.55nn/℃C,對(duì)于濕度增加具有指數(shù)型藍(lán)移響應(yīng),最高靈敏度可達(dá)到1.6 nm/%RH。研究發(fā)現(xiàn)由于制備工藝導(dǎo)致的±0.5 μ光纖直徑誤差對(duì)溫濕度響應(yīng)產(chǎn)生很小的影響,此結(jié)構(gòu)具有較大的制備冗余度,降低了對(duì)加工工藝的要求。此研究為發(fā)展涂覆型MFC結(jié)構(gòu)成為微型化、集成化傳感器奠定了一定的研究基礎(chǔ)。2、研究了橢球級(jí)聯(lián)布拉格光纖光柵(Ellipsoid and Fiber Bragg Grating,EFBG)傳感結(jié)構(gòu),分析其傳感機(jī)理及傳輸特性,建模分析與實(shí)驗(yàn)觀察證明,在EFBG結(jié)構(gòu)中橢球結(jié)構(gòu)承擔(dān)著模式激發(fā)器與耦合器的作用,在EFBG反射端可以觀察到布拉格反射峰與很高能量的包層模諧振峰。研究充分挖掘了 EFBG結(jié)構(gòu)對(duì)不同環(huán)境參量的響應(yīng)特性,研究發(fā)現(xiàn)EFBG可以實(shí)現(xiàn)溫度不靈敏的折射率傳感,折射率傳感范圍可達(dá)到1.3352～1.4425,且在低折射率檢測(cè)區(qū)間(1.3352-1.37),包層模諧振峰頻移與折射率呈線性關(guān)系,靈敏度約為355 pm/RIU,在高折射率檢測(cè)區(qū)間(1.37～1.4425),頻移與折射率成指數(shù)型關(guān)系,最高靈敏度達(dá)到4182pm/RIU(Refractive index unit)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)證明了橢球與FBG間距對(duì)靈敏度的影響非常小。除折射率和溫度外,本文還研究了 EFBG對(duì)軸向拉力與彎曲曲率的響應(yīng),實(shí)驗(yàn)證明EFBG輸出光譜的不同階次諧振峰對(duì)軸向拉力具有完全相同的頻移響應(yīng),而當(dāng)彎曲曲率變化時(shí),包層模諧振峰功率對(duì)彎曲曲率響應(yīng)的平均靈敏度可達(dá)到19.78 mW/m。3、研究了基于硅基波導(dǎo)的同心雙環(huán)諧振腔(Silicon Concentric Dual Microring Resonator,SCDMR)結(jié)構(gòu),利用時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)物理建模分析其傳輸特性。同心雙環(huán)諧振腔通過(guò)內(nèi)環(huán)波導(dǎo)增加了環(huán)形諧振腔整體的內(nèi)部損耗,使得諧振腔更易達(dá)到臨界耦合狀態(tài),增加輸出諧振峰的消光比(Extinction Ratio,ER)和品質(zhì)因子(Quality factor,Q)。研究分析SCDMR波導(dǎo)尺寸、直波導(dǎo)-外環(huán)波導(dǎo)間距與內(nèi)-外環(huán)波導(dǎo)間距等諧振腔參數(shù),對(duì)波導(dǎo)靈敏度、ER、Q值和傳感靈敏度的影響,根據(jù)傳感器性能和傳輸損耗之間的平衡最佳值確定SCDMR的結(jié)構(gòu)參數(shù),此時(shí)輸出諧振峰ER可以達(dá)到30 dB,Q值達(dá)到1.7 X 105。設(shè)計(jì)基于SCDMR的折射率傳感器,檢測(cè)蔗糖溶液和NaCl溶液,并分析諧振狀態(tài)下其光場(chǎng)分布。檢測(cè)NaCl溶液濃度靈敏度為376.42 pm/%,探測(cè)極限為0.53%,檢測(cè)蔗糖溶液濃度靈敏度為369.27pm/%,探測(cè)極限為0.54%。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP212
【部分圖文】：

有更高的靈敏度。２００５年，Ｌｏｕ等人１｜４１首次理論驗(yàn)證了基于微納光纖的ＭＺＩ傳逡逑感器比基于平面波導(dǎo)的ＭＺＩ傳感器具有更高的靈敏度，Ｗｏ等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逡逑微納光纖ＭＺＩ傳感器折射率靈敏度可達(dá)７１９５邋ｐｎ／ＲＩＵ。圖１．２．（ａ）所示是微納光逡逑纖ＭＺＩ結(jié)構(gòu)示意圖。兩根微納光纖通過(guò)３ｄＢ耦合器構(gòu)成馬赫增德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)，逡逑３逡逑

為２￣６｜ｉｍ。２０１１年，Ｌｉｕ等人通過(guò)聚焦離子束刻蝕制備了微納光柵，如圖0．（ａ）逡逑所示，此光纖直徑為１．８邋ｊａｍ，光柵周期５７６邋ｎｍ，刻蝕深度約１００邋＿。此結(jié)構(gòu)的逡逑透射和反射光譜如圖１．３．（ｂ）所示，基于此光柵的傳感器用于折射率時(shí)靈敏度達(dá)到逡逑６６０ｎｍ／ＲＪＵ［２６】。Ｓｉｍ等人采用微納光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)模模危岭s交的特逡逑異性響應(yīng)，可探測(cè)目標(biāo)ＤＮＡ濃度低至０．５ｎＭ［２７］。除ＦＢＧ以外，長(zhǎng)周期光柵（Ｌｏｎｇ逡逑ｐｅｒｉｏｄ邋ｇｒａｔｉｎｇｓ，邋ＬＰＧ）也被寫(xiě)入微納光纖中作為傳感結(jié)構(gòu)。Ｘｕａｎ等人［２８］通過(guò)高頻二逡逑氧化碳激光器對(duì)微納光纖調(diào)制成功寫(xiě)入ＬＰＧ，此結(jié)構(gòu)可用于折射率和溫度檢測(cè)。逡逑４逡逑

效提高了結(jié)構(gòu)牢固程度｜３２１，之后為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，把諧振腔埋于低折逡逑射率的聚合物材料中０１。除了以上兩種方法外，科學(xué)家把微納光纖打結(jié)制備了逡逑結(jié)型諧振腔，如圖１．４．（ｂ）所示。結(jié)型諧振腔穩(wěn)定性通過(guò)靜電力和結(jié)處較大的摩逡逑擦力共同維持。逡逑（２）邐線圈型諧振腔逡逑線圈型諧振腔是通過(guò)把微納光纖緊緊纏繞在一個(gè)中心棒中制成，如圖逡逑１．４．（ｃ）聽(tīng)示，線圈中光通過(guò)每一個(gè)環(huán)的倏逝波耦合進(jìn)行傳播，光在線圈中循環(huán)逡逑打轉(zhuǎn)形成一個(gè)具備高品質(zhì)因子的諧振腔，其品質(zhì)因子可以達(dá)到１0９［３４１，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高逡逑于環(huán)型和結(jié)型諧振腔。Ｘｕ等人加工制造了線圈型諧振腔并實(shí)現(xiàn)折射率檢測(cè)ＰＩ，逡逑預(yù)言了線圈型諧振腔作為生化傳感器的可能性。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2808402