论文部分内容阅读
光子晶体传感器具有高灵敏度、超紧凑尺寸、可实现多路复用从而提高系统的集成度等优势,被广泛应用在芯片实验研究当中。通过在二维光子晶体平板中将多个微腔在波导两侧进行耦合,可以在光子晶体结构透射谱中观察到几个相应的下坠峰,从而实现传感器阵列,进一步提高了传感器系统的集成度。将四方晶格介质柱光子晶体结构和半径渐变结构分别引入光学传感器领域,对于提高传感器阵列结构的集成度、实现低串扰有很重要的意义。为进一步缩小光子晶体微腔的模式体积、提高品质因子(Q值)和传感器灵敏度,本文针对纳米束微腔结构及其与空气槽波导的结合做出了研究,并对其传感性能进行了分析。本文的主要研究成果分为以下几个方面:首先,基于光子晶体硅波导,设计了空气孔半径大小按抛物线形式逐渐变小的一维纳米束微腔结构,并分析了其传感性能。通过对一维光子晶体纳米束微腔的单元结构的能带和局域性进行仿真,确定硅波导宽度和空气孔的半径大小,然后在一维硅波导上以中心对称向两侧添加半径逐渐减小的空气孔,得到可以用作传感的一维光子晶体纳米束微腔。通过仿真得到该微腔结构的透射谱仿真图,并选取透射谱中稳定的基模谐振峰进行传感。经过3D-FDTD仿真计算,得到该纳米束传感器结构的Q值高达109,模式体积为0.9(λ/n)3,灵敏度为109.3 nm/RIU。其次,基于一维纳米束微腔结构用于传感器时光被局域在硅波导当中,分析物不能与光充分接触从而影响传感器灵敏度大小的问题,本文提出将空气槽波导引入单个一维纳米束微腔结构,设计出了单个加槽光子晶体纳米束微腔传感器,并对其传感器性能进行了分析。空气槽波导的引入,使光更多地局域在空气槽中,这样分析物与光能充分接触并相互作用,从而提高了传感器的灵敏度。通过选取不同的空气槽宽度,对单个加槽纳米束微腔结构的Q值和灵敏度S进行了仿真分析。鉴于对无标签光学传感器的Q值和灵敏度S之间的折中,本文最终选择空气槽波导为50nm时的结构用作传感器。通过3D-FDTD仿真计算得到Q值为2.67×107,灵敏度为S=750.89 nm/RIU,模式体积为～0.01(λ/n)3。一维光子晶体纳米束微腔与空气槽波导的结合,对于未来光学传感器性能的提高有很重要的意义。最后,为了提高光子晶体传感器的集成度、减小光子晶体传感器器件的尺寸,本文对光子晶体传感器阵列进行了扩展研究。其中包括基于四方晶格介质柱型光子晶体温度传感器的设计与传感性能分析以及空气孔半径垂直渐变的微腔交错复用二维光子晶体传感器阵列结构。基于四方晶格介质柱型光子晶体温度传感器是在二维四方晶格介质柱型光子晶体波导两侧相继耦合9个半径和偏移不同的单孔微腔构成的,极大的增加了传感器阵列的微腔集成个数。每个谐振腔具有不同的谐振频率且进行独立传感,灵敏度最高为S=0.067 nm/℃。基于波导垂直方向半径渐变的二维光子晶体传感器阵列结构,是将二维光子晶体波导上下两侧临近的三排空气孔半径变大,形成沿波导垂直方向半径渐变的二维光子晶体结构。然后在波导的两侧交错排列2个L2微腔和3个H1微腔,形成高集成度的阵列结构。通过微腔类型以及微腔参数的优化,使传感器阵列结构的品质因子和集成度都能达到较高的水平。以上这些研究成果可以为提高光子晶体传感器灵敏度和结构集成度的设计提供方向和思路,在大规模光子晶体传感器研究中具有重要的参考意义和应用价值。