基于亚波长光栅结构的折射率传感研究进展

新一代片上传感系统提出了微型化、集成化、低成本等发展需求,硅基集成波导器件适应其发展趋势,其中亚波长光栅结构因独特的模场分布特性在折射率传感领域备受青睐。文章首先对亚波长光栅波导的工作原理进行了介绍,阐述其在折射率传感领域的优势,然后按器件结构分类梳理了亚波长光栅结构折射率传感的最新研究进展,并分析和总结了不同器件结构的优缺点,最后展望了基于亚波长光栅结构的折射率传感未来的发展方向。     

聚合物单模光波导的研究

采用一种间接方法，计算出了DCNP／PEK－c主客掺杂聚合物薄膜在1300nm波长下的折射率；在对其平板光波导研究的基础上，进行了新型单模倒脊型聚合物光波导的设计与制做。结果表明，此种新型光波导具有较好的单模性。     

一种新型的集成激光器

在光纤通信中，波长区域为1.5~1.6微米的超低耗单片集成光学器件是很引人注目的。最近,利用集成双波导结构，已把波长为1.5~1.6微米的GaInAsP/InP激光器和分布式布拉格反射波导集成在一起。波长为1.58微米的分布布拉格反射-集成双波导(DBR-ITG)激光器，具有纯动态光谱特性，实验证明它能提高光纤的传输带宽。     

基于微纳光纤与平面光栅的复合光波导折射率传感器

利用微纳光纤强的倏逝场特性和平面光栅的折射 率周期性分布特性,设计了一种新型 的基于微纳光纤和平面光栅复合光波导折射率传感器,并利用时域有限差分(FDTD)方法,对 复合光波导的光学特性和 折射率传感特性进行了仿真研究。结果表明,本文的复合光波导的透射光谱中心波长对其周 围物质折射率变化非常敏感,灵敏度为346nm/RIU(refractive inde x unit)。     

基于狭缝波导的聚合物基微环折射率传感器研究

基于狭缝波导结构,设计了工作波长在890 nm的聚合物基微环。从折射率传感的角度详细分析了狭缝波导的模场特性。分析了波导高度、宽度及狭缝宽度对灵敏度的影响。传统的狭缝波导具有较高的弯曲损耗,这会影响微环谐振器的品质因子Q以及消光比。设计了非对称的狭缝结构,保证波导模式位于波导中央传输,降低弯曲损耗。为了条形波导与狭缝波导更好的耦合,设计了基于多模干涉结构的条形-狭缝波导模式转换器。仿真表明设计的微环谐振器的传感灵敏度达到109 nm/RIU。     

一种监测钢盘腐蚀的光波导传感方法

本文提出一种用于混凝土结构钢筋腐蚀监测的光波导传感方案该方案基于用金属膜层局部取代光波导的介质包层,构成腐蚀敏感膜,从而获取金属腐蚀信息。本文依据波导理论定性分析了该方案的腐蚀传感原理,提出了在光纤表面形成与钢筋材料相同的Ｆｅ－Ｃ合金膜的电化学镀膜方法,通过引入化学镀银夹层充当电镀负极,解决了光纤与Ｆｅ－Ｃ合金亲和性差的问题。在平板波导材料上研究了电化学镀膜工艺,并研制出含有Ａｇ夹层的Ｆｅ－Ｃ合金     

亚波长金属周期结构中表面等离子体相关机理和应用

研究了一种新型的有表面凹槽的亚波长金属光栅结构,通过改变表面凹槽填充物的折射率,可调控该结构的远场透射效率,在光学探测、生物传感等方面具有应用前景;结合金属波导理论,提出一种基于亚波长金属光栅波导结构的新型超分辨光刻方案,入射光波长为436 nm时,最高刻写分辨率可达34 nm.     

集成波导型表面等离子体共振传感芯片及其理论分析

集成波导型表面等离子体共振传感芯片是表面等离子体共振传感技术和微电子制造技术相结合的产物.介绍了集成表面等离子体共振传感芯片的工作机理和基本结构,并通过基于传统波导模式的分析法结合表面等离子体波的色散方程,发展出简单实用的波导表面等离子体共振分析方法.利用该方法对波导型表面等离子体共振传感芯片的工作状态进行了理论建模,给出了各特性参数之间的关系.这证明该方法是分析等离子体共振传感芯片优化的有力工具.     

渐变结构微谐振器光子晶体波导的优选设计

为获取高品质的单通帯波长信道,设计了三种类型的渐变结构微谐振器光子晶体波导,用FDTD方法研究了这些结构的功率传输谱,并采集功率谱通帯参数对比分析了其输出性能。随微谐振器中心柱半径的增大,每支波导输出端单通帯传输模式表现为从短波向长波三次规律的周期性变化。波导结构选择及其参数的优化有助于输出性能的改善,在开发更多单通帯波长信道上都具有潜在能力。结果表明,优化后的结构拥有高品质的单通带波长传输特性,如：规律性周期变化模式、利于信号增强设计、稳定传输性能、优良宽带适应能力。该类波导可根据所需波长灵活选择最佳类型结构设计,在密集型光通信系统,光路集成,紧凑型光传感接口等设计中具有应用价值。     

不对称脊波导截止波长的计算

将计算矩形波导和对称脊波导导内波长的横向谐振法推广用于计算不对称单脊波导的导内波长和电中心线对波导宽边几何中心线的偏置。介绍了为保证脊波导截止波长或导内波长不变的情况下,设计不对称脊波导的方法,并给出了一些计算结果和试验结果。     

基于微环腔型光滤波器的新型气体传感器研究

基于微环腔型光学滤波是一项正在发展中的新型气体传感技术,在工业生产、环境保护和医学等领域具有广阔的应用前景.利用微环状波导腔构成气室的吸收光谱型气体传感器具有结构紧凑、波长选择性良好等优点.通过气体吸收光谱及微环腔特性的计算和分析,对基于微环腔型光滤波器的新型气体检测传感系统的设计进行了研究和探索,分析了微环尺寸与其谐振波长、自由光谱范围之间的关系.     

一种监测钢筋腐蚀的光波导传感方法

本文提出一种用于混凝土结构钢筋腐蚀监测的光波导传感方案,该方案基于用金属膜层局部取代光波导的介质包层,构成腐蚀敏感膜,从而获取金属腐蚀信息。本文依据波导理论定性分析了该方案的腐蚀传感原理,提出了在光纤表面形成与钢筋材料相同的ＦｅＣ合金膜的电化学镀膜方法,通过引入化学镀银夹层充当电镀负极,解决了光纤与ＦｅＣ合金亲和性差的问题。在平板波导材料上研究了电化学镀膜工艺,并研制出含有Ａｇ 夹层的Ｆｅ－ Ｃ合金膜层的光纤腐蚀传感器,用多种加速腐蚀介质评价了该传感器的腐蚀传感特性,结果证实了所提传感方案的可行性。     

基于选择填充光子晶体光纤的二维弯曲矢量传感器设计

利用模式耦合理论和有限元求解方法,研究了基于选择填充光子晶体光纤(PCF)的耦合器对弯曲的响应。引入等效折射率(RI),将弯曲波导简化为直波导,仿真确定耦合波长并分析器件弯曲传感性能。研究表明,耦合波长的移动与弯曲曲率呈线性关系,并指示弯曲方向;耦合波长由填充液体折射率和空气孔直径决定;弯曲灵敏度取决于填充孔与纤芯距离。利用此规律,设计了基于选择填充PCF的二维弯曲矢量传感器。在PCF截面上选择相互正交的2个空气孔,分别填充不同折射率液体,2条液体波导各自与纤芯形成耦合器,监测2个耦合波长变化即可求解器件的弯曲曲率及在二维空间中的弯曲方向。该传感器具有良好的设计柔性与制备可控性,具有良好的应用前景。     

有限长非线性光波导的研究

给出了一种描述有限长非线性光波导的方法，分析了该类波导的透射特性，结果表明在这类波导中具有多稳态效应．并将该方法与非线性Ｆ－Ｐ腔理论进行了比较，表明该方法比非线性Ｆ－Ｐ腔理论更为精确。     

基于单个槽波导微环谐振器法诺共振的折射率传感

法诺线型的不对称和窄线宽特性有利于实现具有高传感灵敏度和低可探测极限的折射率传感。采用三维时域有限差分法,基于槽波导设计了微环谐振器和法布里-珀罗腔的耦合结构,实现了法诺线型谱线,并利用其提升折射率传感器的性能。不同于已报道的多微环级联等复杂结构,基于单个槽波导微环实现了法诺线型谱线,并在波长探测传感方案下得到传感灵敏度为500 nm/RIU,可探测极限为4.00×10^-5 RIU;在强度探测传感方案下,传感灵敏度为7.24×10⁴ dB/RIU,可探测极限为5.52×10^-6 RIU。     

太赫兹宽谱聚合物波导及其传感应用

利用太赫兹时域光谱系统对三种反谐振波导的太赫兹谱进行了研究, 这三种波导分别是PMMA管型波导, PMMA自支撑结构波导和SiO2管型波导.该研究验证了三种波导的太赫兹传输基于反谐振理论, 并在实验上实现了PMMA自支撑结构波导超过2 THz的宽光谱传输.同时, 对基于反谐振原理的太赫兹物质传感进行了理论和实验分析, 为物质探测提供了一种可行的手段.     

含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感机理

基于波导耦合光栅的共振原理和多孔硅的光学传感特性,提出一种含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感模型。根据古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论和波导耦合光栅共振的相位匹配条件,建立共振波长与待测样本折射率之间的关系模型,并分析了折射率传感结构的折射率传感特性。利用多孔硅高效的承载机制,将其作为待测样本承载单元,选用不同浓度的乙二醇溶液作为待测样本,对该折射率传感结构的灵敏度和品质因数Q进行分析。结果表明,该折射率传感结构对乙二醇溶液的灵敏度为2.2nm/1%,Q值为226,证明了该传感结构的有效性,它可实现对低浓度待测样本的检测。     

太赫兹宽谱聚合物波导及其传感应用（英文）

利用太赫兹时域光谱系统对三种反谐振波导的太赫兹谱进行了研究,这三种波导分别是PMMA管型波导,PMMA自支撑结构波导和SiO_2管型波导.该研究验证了三种波导的太赫兹传输基于反谐振理论,并在实验上实现了PMMA自支撑结构波导超过2 THz的宽光谱传输.同时,对基于反谐振原理的太赫兹物质传感进行了理论和实验分析,为物质探测提供了一种可行的手段.     

基于紧束缚法的空气栅光子晶体双缺陷模传感机理研究

为了降低外界环境温度变化对单缺陷光子晶体折射率传感的干扰,提出了一种双缺陷空气栅光子晶体的传感模型。通过紧束缚法分析光子晶体双缺陷模的产生机理,并结合传输矩阵理论分析该光子晶体结构的光学传输特性。针对折射率和温度的交叉敏感问题,提出了一种消除温度干扰的方法,并建立两缺陷模波长与光子晶体结构参数之间的关系模型。利用该空气栅光子晶体,通过观测双缺陷峰波长的漂移,即可实现待测气体样本参数的动态监测。通过数值模拟可以发现,两缺陷模的波长均与待测气体的折射率呈线性关系,该传感具有结构简单和精度高等优点。     

中长波红外光波导器件发展现状

阐述了中长波红外光波导器件的设计理念和用途。在介绍该领域的研究成果和最新进展的基础上,以应用在波长为10.6μm的硅基光波导器件为例介绍了实现低损耗波导的方法。