在人類的發(fā)展歷程中,從未停止過對世界的探索,傳感技術的發(fā)展極大的推動了人們感知世界的進程。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來,人們希望借助性能優(yōu)良的傳感器與信息通信技術,實現(xiàn)萬物皆可通過網(wǎng)絡互聯(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,很難滿足物聯(lián)網(wǎng)時代對傳感器的需求,而集成型傳感器因其結構小巧、可多參量傳感、信息處理量大、傳感性能好等優(yōu)勢受到了越來越多的重視,它成為傳感技術發(fā)展的熱點。如何進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)展的關鍵因素。微結構光波導具有結構簡單、體積小、傳感性能好等優(yōu)勢,在光傳感、激光器等領域得到了廣泛的應用,它極大降低了傳感器結構的尺寸,方便在各場景中布局傳感器,其驚人的研究進展和巨大的市場潛力為傳感器微型化提供了巨大的推動力。本文研究了基于微結構光波導的傳感技術,并研究了其傳感應用,主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:1、研究了微納光纖耦合器(MicrofiberCoupler,MFC)結構,建模分析其z1合過程和傳輸特性,分析其折射率傳感機理。以低濃度氨氣檢測為例,開展涂覆型MFC氣體傳感應用研究。采用“微加熱刷”技術制備腰錐直徑3μm、錐區(qū)長度25mm的弱z1合型MFC,利用化學方法制備對氨氣靈敏的不同粘稠度的硅溶膠凝膠(Silica gel),研究在整個MFC錐區(qū)實現(xiàn)納米級均勻涂覆增敏材料的技術。設計基于涂覆型MFC的氨氣傳感器并研究其傳感性能,當涂層厚度為90nm時,傳感結構氨氣響應的靈敏度達2.23 ram/ppm、最高分辨達到5 ppb,比傳統(tǒng)的涂覆型光纖傳感器分辨率提升了3個量級,具有良好的可重復性和氣體選擇特性,實驗發(fā)現(xiàn)涂覆層厚度對傳感靈敏度影響很大,通過控制涂覆層厚度實現(xiàn)對傳感靈敏度的調(diào)控。同時,分析了涂覆型MFC的溫度、濕度響應特性,MFC輸出光譜對于溫度增加具有線性紅移響應,靈敏度達到0.55nn/℃C,對于濕度增加具有指數(shù)型藍移響應,最高靈敏度可達到1.6 nm/%RH。研究發(fā)現(xiàn)由于制備工藝導致的±0.5 μ光纖直徑誤差對溫濕度響應產(chǎn)生很小的影響,此結構具有較大的制備冗余度,降低了對加工工藝的要求。此研究為發(fā)展涂覆型MFC結構成為微型化、集成化傳感器奠定了一定的研究基礎。2、研究了橢球級聯(lián)布拉格光纖光柵(Ellipsoid and Fiber Bragg Grating,EFBG)傳感結構,分析其傳感機理及傳輸特性,建模分析與實驗觀察證明,在EFBG結構中橢球結構承擔著模式激發(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結構對不同環(huán)境參量的響應特性,研究發(fā)現(xiàn)EFBG可以實現(xiàn)溫度不靈敏的折射率傳感,折射率傳感范圍可達到1.3352～1.4425,且在低折射率檢測區(qū)間(1.3352-1.37),包層模諧振峰頻移與折射率呈線性關系,靈敏度約為355 pm/RIU,在高折射率檢測區(qū)間(1.37～1.4425),頻移與折射率成指數(shù)型關系,最高靈敏度達到4182pm/RIU(Refractive index unit)。同時實驗證明了橢球與FBG間距對靈敏度的影響非常小。除折射率和溫度外,本文還研究了 EFBG對軸向拉力與彎曲曲率的響應,實驗證明EFBG輸出光譜的不同階次諧振峰對軸向拉力具有完全相同的頻移響應,而當彎曲曲率變化時,包層模諧振峰功率對彎曲曲率響應的平均靈敏度可達到19.78 mW/m。3、研究了基于硅基波導的同心雙環(huán)諧振腔(Silicon Concentric Dual Microring Resonator,SCDMR)結構,利用時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)物理建模分析其傳輸特性。同心雙環(huán)諧振腔通過內(nèi)環(huán)波導增加了環(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波導尺寸、直波導-外環(huán)波導間距與內(nèi)-外環(huán)波導間距等諧振腔參數(shù),對波導靈敏度、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的結構參數(shù),此時輸出諧振峰ER可以達到30 dB,Q值達到1.7 X 105。設計基于SCDMR的折射率傳感器,檢測蔗糖溶液和NaCl溶液,并分析諧振狀態(tài)下其光場分布。檢測NaCl溶液濃度靈敏度為376.42 pm/%,探測極限為0.53%,檢測蔗糖溶液濃度靈敏度為369.27pm/%,探測極限為0.54%。
【學位單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

有更高的靈敏度。２００５年，Ｌｏｕ等人１｜４１首次理論驗證了基于微納光纖的ＭＺＩ傳逡逑感器比基于平面波導的ＭＺＩ傳感器具有更高的靈敏度，Ｗｏ等人實驗驗證了逡逑微納光纖ＭＺＩ傳感器折射率靈敏度可達７１９５邋ｐｎ／ＲＩＵ。圖１．２．（ａ）所示是微納光逡逑纖ＭＺＩ結構示意圖。兩根微納光纖通過３ｄＢ耦合器構成馬赫增德爾干涉結構，逡逑３逡逑

為２￣６｜ｉｍ。２０１１年，Ｌｉｕ等人通過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＿。此結構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靈敏度達到逡逑６６０ｎｍ／ＲＪＵ［２６】。Ｓｉｍ等人采用微納光纖光柵傳感器實現(xiàn)溫度補償?shù)模模危岭s交的特逡逑異性響應，可探測目標ＤＮＡ濃度低至０．５ｎＭ［２７］。除ＦＢＧ以外，長周期光柵（Ｌｏｎｇ逡逑ｐｅｒｉｏｄ邋ｇｒａｔｉｎｇｓ，邋ＬＰＧ）也被寫入微納光纖中作為傳感結構。Ｘｕａｎ等人［２８］通過高頻二逡逑氧化碳激光器對微納光纖調(diào)制成功寫入ＬＰＧ，此結構可用于折射率和溫度檢測。逡逑４逡逑

效提高了結構牢固程度｜３２１，之后為進一步提高結構穩(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，科學家把微納光纖打結制備了逡逑結型諧振腔，如圖１．４．（ｂ）所示。結型諧振腔穩(wěn)定性通過靜電力和結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把微納光纖緊緊纏繞在一個中心棒中制成，如圖逡逑１．４．（ｃ）聽示，線圈中光通過每一個環(huán)的倏逝波耦合進行傳播，光在線圈中循環(huán)逡逑打轉形成一個具備高品質(zhì)因子的諧振腔，其品質(zhì)因子可以達到１0９［３４１，遠遠高逡逑于環(huán)型和結型諧振腔。Ｘｕ等人加工制造了線圈型諧振腔并實現(xiàn)折射率檢測ＰＩ，逡逑預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】

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本文編號：2808402