硅基光學(xué)微腔的特性及應(yīng)用研究.pdf

1、硅基光學(xué)微腔受益于硅光子學(xué)的發(fā)展與微納加工技術(shù)的進(jìn)步，越來越在集成光學(xué)器件及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域扮演重要的角色。其優(yōu)異的特性如極小的尺寸、較低的損耗、較強(qiáng)的光場局域增強(qiáng)等使其在激光器、調(diào)制器、探測器、傳感器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其在傳感器領(lǐng)域，硅基光學(xué)微腔的局域光場增強(qiáng)特性和多樣的性能優(yōu)化途徑使其作為片上實(shí)驗(yàn)室的功能逐漸豐富起來。本文基于硅基微環(huán)諧振器和一維光子晶體微腔，探討了其在光纖布拉格光柵(FBG)傳感系統(tǒng)、超聲波傳感、單粒子捕獲與傳

2、感等領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述了硅基光學(xué)微腔在傳感器領(lǐng)域豐富多樣的功能。
　　首先本文介紹了硅基光學(xué)微腔的數(shù)值模擬方法和制作工藝流程，論述了在頻域和時(shí)域兩個(gè)方面的計(jì)算手段，并分析了其各自的適用場合;重點(diǎn)介紹了光刻與刻蝕的方法和其中涉及的光刻膠旋涂、顯影、去殘膠等工藝。
　　然后，提出了采用絕熱硅基微環(huán)諧振器與光電探測器(PD)替換光譜儀來實(shí)現(xiàn)基于光纖布拉格光柵的傳感系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并制作了基于覆蓋PMMA聚合物的槽式硅基微環(huán)諧振器。分析了這

3、種FBG傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其便攜性、廉價(jià)性、應(yīng)用場景多樣化等。
　　接著，設(shè)計(jì)了兩種超聲波傳感器，分別是基于槽式硅基微環(huán)諧振器（半徑12μm）和硅基一維光子晶體微腔（尺寸為0.75μm×13.3μm）的。兩種微腔的尺寸都遠(yuǎn)小于目前最先進(jìn)的基于聚合物微環(huán)諧振器的超聲傳感器（半徑30μm），此外，兩種微腔都工作在通訊波段的C帶而不是聚合物微環(huán)諧振器所采用的可見光波段。這種新穎的超聲傳感器的3dB帶寬高達(dá)約540MHz。
　　隨后

4、，本文研究了耦合一維光子晶體微腔中的宇稱-時(shí)間對稱性問題。通過對該對稱性的打破，本文討論了這種耦合系統(tǒng)在單向光傳輸中的應(yīng)用，分析表明其隔離度約11.63dB，同時(shí)這種器件緊湊的尺寸、固有的易與集成光波導(dǎo)耦合特性等，使其在片上光學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。本文還論述了這種概念在增強(qiáng)粒子傳感器的靈敏度方面的應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果表明這種基于宇稱-時(shí)間對稱性破壞的傳感器其靈敏度是傳統(tǒng)的一維光子晶體微腔傳感器的2倍以上。
　　接下來，本文提