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作为一门新兴学科，光子技术以其极高的信息容量和效率、极快的响应速度、极大的存储能力、极强的互连能力与并行能力，取得了快速发展。在光学传感、信息传输、高速信息处理、信息存储与显示等方面得到了广泛的应用。光子技术与电子技术形成相互补充、共融与促进的关系，使其在商品市场的份额逐年快速增长。光子生物化学传感已成为当今光子学研究的重要领域之一。光子技术的快速发展极大地提高了光子生物化学传感的性能，特别是在光与分析物的相互作用、器件的小型化和复用、流体设计和集成等方面有显著的提升。这就需要器件有更高的传感灵敏度、更低的探测极限、更少的样品消耗、更快的探测时间以及更低的检测成本。
基于绝缘体上硅（Silicon of Insulator,SOI）的微环谐振器（microring resonator,MRR）具有很高的品质因子和超紧凑的结构，尤其和狭缝波导（slot waveguide）结合，可以实现高灵敏度的传感和较低的探测极限。随着灵敏度不断增大，基于狭缝波导的微环谐振器（SMRR）由于受到自由光谱区（free range region,FSR）的限制只适合探测中低浓度的溶液和气体，而高浓度的溶液会超出其探测范围。围绕增加MRR的探测范围和提升传感灵敏度等方面展开工作，本文的主要研究内容及创新点总结如下。
1.主要研究内容：
(1)研究了光波导的传输模式。从麦克斯韦方程组出发，推导出横向亥姆霍兹方程，并将横向亥姆霍兹方程应用于三层平板波导，得到横电（Transverse electric,TE）模和横磁（Transverse magnetic,TM）模的场分布形式。结合边界条件，推导出TE模和TM模的特征方程。推导了矩形波导和狭缝波导的场分布形式及特征方程，应用有效折射率法（effective index method,EIM）对矩形弱波导的传输模式进行计算。应用有限差分法（finite-difference method,FDM）和有限元法（finite element method,FEM）对其基模和两个高阶模的计算结果进行验证，三者吻合较好，说明EIM非常适合弱波导的模式分析。EIM由于忽略四个角区的光场，对SOI平台波导的有效折射率求解会造成较大误差，因此采用FDM和FEM对SOI平台的矩形波导和狭缝波导传输模式进行求解，得到了光场分布及有效折射率值，为后续设计合适的波导尺寸提供了理论依据。
(2)研究MRR理论及其传感机理。推导了全通型（all pass）MRR和上下载型（add-drop）MRR的输出端光谱及相移、环腔增强因子及谐振方程。总结MRR的重要表征参量的含义及表达式，这些参量包括消光比（extinction ratio,ER）、自由光谱区（free spectrum region,FSR）、半高全宽（full width at half maximum，FWHM）、品质因子（qualify factor，Q-factor）和精细度（finesse，F），其中半高全宽又称为3dB带宽或者谱线宽。阐述了MRR的传感机理，给出灵敏度、探测极限、动态范围及噪声等性能指标，并对传感灵敏度进行了重点研究。
(3)提出一种紧凑型内壁光栅狭缝微环生化液体传感器。该器件结合了MRR尺寸小和光栅工作范围宽的优势，解决了MRR受FSR限制的局面及光栅尺寸较大的问题。光栅起到边模抑制的作用，使该传感器件在1450nm～1650nm之间，输出光谱只有一个主谐振点，大大拓宽了器件的工作范围。文中给出器件优化过程，并对光栅尺寸进行了容差分析。以氯化钠溶液和葡萄糖溶液为研究对象，对器件的传感性能进行计算分析，两种溶液的浓度灵敏度分别高达996.91pm/%和968.05pm/%，对应的折射率灵敏度为559.5nm/RIU和558.3nm/RIU；探测极限低至2.2×10-5RIU（refractive index unit）。设计的传感器件可以适用于高灵敏度、大探测范围的应用领域。
(4)提出三狭缝混合等离子体波导微环生化气体传感器。在SOI平台的传统硅狭缝波导微环的内部和外部预置金属，形成三狭缝混合等离子波导微环结构，微环内外为等离子体狭缝。给出工作波长1550nm信号光在三狭缝波导中的光场分布情况，根据微环的重要参量对等离子狭缝宽度进行优化。计算结果表明，狭缝越小，灵敏度越大，但是等离子狭缝的损耗也越大，消光比越小，同时给气体分子进入狭缝带来困难。因此，文中对等离子体狭缝宽度和灵敏度做了综合考量。通过扫描总线波导和环波导之间的耦合距离，MRR可以工作在临界耦合状态。以生化气体为被测物，对传感性能进行分析。计算结果表明灵敏度高达841nm/RIU，探测极限为1.5×10-5RIU。由于气体折射率变化范围较小，该微环谐振器的自由光谱区完全能够满足气体浓度的变化。相对于内壁光栅的微环谐振器，该器件不需考虑边模的影响，且灵敏度较高。该结构也适合中浓度变化较小的生化液体传感，在对消光比要求不高的情况下，可以适当减小等离子体缝隙宽度，从而获取更高灵敏度的生化传感器。另外，该结构也可设计为调制器，由于微环内外预置金属，不需要单独制作电极。
2.创新点：
(1)MRR与光栅结合，得到高灵敏度超宽探测范围生化液体传感器。
(2)硅狭缝波导和等离子狭缝波导相结合，得到超高灵敏度生化气体传感器。
(3)本文提出的两种光学生化传感器结构紧凑，只需要少量的被测物，可以集成在生化传感阵列中。
基于绝缘体上硅（Silicon of Insulator,SOI）的微环谐振器（microring resonator,MRR）具有很高的品质因子和超紧凑的结构，尤其和狭缝波导（slot waveguide）结合，可以实现高灵敏度的传感和较低的探测极限。随着灵敏度不断增大，基于狭缝波导的微环谐振器（SMRR）由于受到自由光谱区（free range region,FSR）的限制只适合探测中低浓度的溶液和气体，而高浓度的溶液会超出其探测范围。围绕增加MRR的探测范围和提升传感灵敏度等方面展开工作，本文的主要研究内容及创新点总结如下。
1.主要研究内容：
(1)研究了光波导的传输模式。从麦克斯韦方程组出发，推导出横向亥姆霍兹方程，并将横向亥姆霍兹方程应用于三层平板波导，得到横电（Transverse electric,TE）模和横磁（Transverse magnetic,TM）模的场分布形式。结合边界条件，推导出TE模和TM模的特征方程。推导了矩形波导和狭缝波导的场分布形式及特征方程，应用有效折射率法（effective index method,EIM）对矩形弱波导的传输模式进行计算。应用有限差分法（finite-difference method,FDM）和有限元法（finite element method,FEM）对其基模和两个高阶模的计算结果进行验证，三者吻合较好，说明EIM非常适合弱波导的模式分析。EIM由于忽略四个角区的光场，对SOI平台波导的有效折射率求解会造成较大误差，因此采用FDM和FEM对SOI平台的矩形波导和狭缝波导传输模式进行求解，得到了光场分布及有效折射率值，为后续设计合适的波导尺寸提供了理论依据。
(2)研究MRR理论及其传感机理。推导了全通型（all pass）MRR和上下载型（add-drop）MRR的输出端光谱及相移、环腔增强因子及谐振方程。总结MRR的重要表征参量的含义及表达式，这些参量包括消光比（extinction ratio,ER）、自由光谱区（free spectrum region,FSR）、半高全宽（full width at half maximum，FWHM）、品质因子（qualify factor，Q-factor）和精细度（finesse，F），其中半高全宽又称为3dB带宽或者谱线宽。阐述了MRR的传感机理，给出灵敏度、探测极限、动态范围及噪声等性能指标，并对传感灵敏度进行了重点研究。
(3)提出一种紧凑型内壁光栅狭缝微环生化液体传感器。该器件结合了MRR尺寸小和光栅工作范围宽的优势，解决了MRR受FSR限制的局面及光栅尺寸较大的问题。光栅起到边模抑制的作用，使该传感器件在1450nm～1650nm之间，输出光谱只有一个主谐振点，大大拓宽了器件的工作范围。文中给出器件优化过程，并对光栅尺寸进行了容差分析。以氯化钠溶液和葡萄糖溶液为研究对象，对器件的传感性能进行计算分析，两种溶液的浓度灵敏度分别高达996.91pm/%和968.05pm/%，对应的折射率灵敏度为559.5nm/RIU和558.3nm/RIU；探测极限低至2.2×10-5RIU（refractive index unit）。设计的传感器件可以适用于高灵敏度、大探测范围的应用领域。
(4)提出三狭缝混合等离子体波导微环生化气体传感器。在SOI平台的传统硅狭缝波导微环的内部和外部预置金属，形成三狭缝混合等离子波导微环结构，微环内外为等离子体狭缝。给出工作波长1550nm信号光在三狭缝波导中的光场分布情况，根据微环的重要参量对等离子狭缝宽度进行优化。计算结果表明，狭缝越小，灵敏度越大，但是等离子狭缝的损耗也越大，消光比越小，同时给气体分子进入狭缝带来困难。因此，文中对等离子体狭缝宽度和灵敏度做了综合考量。通过扫描总线波导和环波导之间的耦合距离，MRR可以工作在临界耦合状态。以生化气体为被测物，对传感性能进行分析。计算结果表明灵敏度高达841nm/RIU，探测极限为1.5×10-5RIU。由于气体折射率变化范围较小，该微环谐振器的自由光谱区完全能够满足气体浓度的变化。相对于内壁光栅的微环谐振器，该器件不需考虑边模的影响，且灵敏度较高。该结构也适合中浓度变化较小的生化液体传感，在对消光比要求不高的情况下，可以适当减小等离子体缝隙宽度，从而获取更高灵敏度的生化传感器。另外，该结构也可设计为调制器，由于微环内外预置金属，不需要单独制作电极。
2.创新点：
(1)MRR与光栅结合，得到高灵敏度超宽探测范围生化液体传感器。
(2)硅狭缝波导和等离子狭缝波导相结合，得到超高灵敏度生化气体传感器。
(3)本文提出的两种光学生化传感器结构紧凑，只需要少量的被测物，可以集成在生化传感阵列中。