【摘 要】
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随着互联网技术的不断发展,信息成为重要的资源,因而信息的获取变得十分重要,传感技术作为信息获取和收集的关键技术而备受研究者的关注。光子晶体材料是由介电常数周期性变化的介电材料组成。光子晶体可以分为一维光子晶体,二维光子晶体和三维光子晶体,这种分类方式是根据介电常数周期性变化的方向来进行分类的。光子晶体材料由于其介电常数周期性改变而具有光子带隙特性,即某些波段的光不能通过光子晶体结构。由于具有结构体
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随着互联网技术的不断发展,信息成为重要的资源,因而信息的获取变得十分重要,传感技术作为信息获取和收集的关键技术而备受研究者的关注。光子晶体材料是由介电常数周期性变化的介电材料组成。光子晶体可以分为一维光子晶体,二维光子晶体和三维光子晶体,这种分类方式是根据介电常数周期性变化的方向来进行分类的。光子晶体材料由于其介电常数周期性改变而具有光子带隙特性,即某些波段的光不能通过光子晶体结构。由于具有结构体积小,良好的控光能力,易于集成等优势,近年来光子晶体被应用到各种结构的光学器件的制造中。光子晶体传感器的研究也越来越受到研究者的关注。随着传感器的应用场景不断丰富,检测环境越加的复杂,传统的单参量传感检测已经无法满足需求,多参量传感检测成为传感器下一步研究需要攻克的难题。本论文通过设计基于边腔耦合结构的一维光子晶体纳米束微腔来实现同时检测多个参量。论文的主要研究内容包括:首先,通过设计基于边腔级联耦合结构的一维光子晶体纳米束微腔传感器,用于同时检测折射率和温度。传感器由一条总线波导将一个空气模微腔和一个介质模微腔级联而成,其中介质模微腔涂覆有SU-8图层。由于空气模微腔和介质模微腔的电场局域位置不同,因此,两个微腔与待检测物相互作用的强度不同,这样的设计使得两个微腔的灵敏度具有较大差异。此外,由于SU-8材料热光系数为负数,所以通过覆盖SU-8图层的介质模微腔获得更高的温度灵敏度,因此,进一步增大了两个微腔的温度灵敏度差异。较大的灵敏度差异的这个特点,使得传感器在微小干扰的情况下仍然可以实现双参量传感检测。本论文对所提出的传感结构进行了物理建模并推导了传感结构的透射表达式,阐述耦合传感系统的耦合原理。最终,通过仿真软件仿真计算,所提出的传感器的空气模微腔的折射率灵敏度为210 nm/RIU,温度灵敏度为53 pm/K,介质模微腔的折射率灵敏度为Onm/RIU,温度灵敏度为-90pm/K。另外本论文引入了抗外部性能指标aRI和aT来评估传感器的抗外部干扰性能。这两个指标越小,说明传感器拥有越好的抗外部干扰能力。所提出的传感结构不仅具有竞争力的灵敏度,通过计算分析,该传感器还具有很强的抗外部干扰能力。其次,通过设计基于双边腔耦合结构的一维光子晶体纳米束微腔传感器,用来同时检测甲烷浓度和温度。该结构由分布在波导两侧的空气模微腔和介质模微腔组成,并且在空气模微腔的空气孔中注入甲烷敏感材料,而介质模微腔的空气孔中不填充任何物质。当甲烷敏感材料与甲烷相互作用时,敏感材料的折射率会发生改变,并且敏感材料折射率的改变与甲烷浓度的改变成线性关系。在双边腔耦合结构的研究过程中,主要分为三个步骤。首先,针对双边腔耦合传感结构进行了物理建模并推导结构的透射公式。其次,利用仿真软件对双边腔耦合结构进行设计和优化。最后,通过仿真软件的仿真和计算,所提出传感器的空气模微腔的甲烷浓度灵敏度和温度灵敏度分别为:-0.56nm/%,64pm/K;介质模微腔的甲烷浓度灵敏度和温度灵敏度分别为:0nm/%,75pm/K。因此,所提出的传感器能够同时检测周围环境的甲烷浓度和温度,并且该传感器的设计为未来多参量化学传感器的设计提供创新性思路。综上所述,本文围绕基于光子晶体纳米束边腔耦合结构的高性能双参量传感模型进行研究。首先,设计了抗外部干扰的基于边腔级联耦合结构的一维光子晶体纳米束微腔传感器,用于在水环境中同时检测折射率和温度;其次,设计了基于双边腔耦合结构的一维光子晶体纳米束微腔传感器,用于同时检测甲烷浓度和温度。另外,分别对提出的两个传感器结构进行物理建模,分析了耦合原理,并推导了透射公式,为纳米束边腔耦合结构的设计提供了思路和参考。
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