论文部分内容阅读
微环谐振器在光子学研究中备受瞩目,广泛应用于通信、信息处理和传感等不同领域。本论文中开展了硅基环谐振器小型化和硅基微环传感器灵敏度提高的相关研究,主要工作包括以下几点：针对超小型环谐振器中存在严重的模式转换损耗这一问题展开研究。论文第一次从理论和实验上研究了弯曲半径小于工作波长的超小型硅基环谐振器的相关重要特性(Q值),并尝试利用弯曲耦合结构克服常规结构中存在的严重的模式失配损耗。此研究为获得高Q值超小型谐振器提供一种有效途径,为不断减小器件尺寸、实现超高集成度及器件阵列提供了可能性。实际制作了半径为0.75μm的超小型环谐振器。通过对实验得到的频谱进行分析,发现弯曲波导作为耦合波导时器件的Q值为4000,而使用直波导作为耦合波导时,器件的Q值为1400。通过分析和实验证明了使用弯曲型耦合波导可以减小器件损耗,提高器件Q值。针对现有微环传感器系统因外围设备(诸如高性能光谱仪等)造成系统整体成本高、体积大、不适合便携式应用的问题,设计了基于硅纳米线的游标型双环传感器。测试时观察游标型双环谐振器频谱中谐振主峰的数字式跳变,通过设计可使这个跳变的波长距离为纳米量级甚至更大,从而实现超高灵敏度。为进一步优化硅基微环传感器的灵敏度,降低对光谱仪分辨的要求,本论文使用硅纳米线悬挂式波导作为波导结构。通过优化芯层硅的厚度,可以使硅纳米线悬挂式波导的波导灵敏度(dncff/dna)达到1.2,是普通硅纳米线条形波导的2倍以上,因而由其组成的普通微环传感器的灵敏度(dλ/dnc)也可以提高2倍以上这个值优于狭缝波导。而且待测物质可以很容易地包围整个硅纳米线,不会出现狭缝波导那种待测物质无法填满狭缝从而导致其波导灵敏度无法达到理论预期的情况。另外当选择比较小的波导高度时,悬挂式波导的波导灵敏度几乎不随波导宽度变化而变化,具有非常高的工艺容差,在这一点上也优于狭缝式波导。将悬挂式硅纳米线与游标型双环结构相结合,实现了一种具有超高灵敏度的新型光波导传感器,并通过实验测试得到其灵敏度(dλ/dnc)为4.6×105nm/RIU。