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基于泄漏模共振效应的微纳光子传感器

作　者: 贾克辉
导　师: 马军山
学　校: 上海理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 泄漏模共振滤波光子生物传感器
分类号: TN25
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

泄漏模共振效应是指入射光通过光栅后被耦合到波导中并在波导内形成的一种共振现象，其可以使入射光在某个波段或入射角形成几乎100%的透射或反射的滤波效果。和传统的多层薄膜滤光片比较，基于泄漏模共振效应的共振滤波器结构简单，滤波功能更易于调节。本文采用光学薄膜理论、等效介质理论和严格耦合波理论，系统地研究了泄漏模共振效应的共振行为和衍射特性；泄漏模共振滤波器的窄带、宽带、截止滤波特性；泄漏模共振滤波器的制备工艺；夹心光栅结构的宽带滤波器的设计及制备；泄漏模共振滤波器的结构参数误差分析及补偿方法；共振光子生物传感器的灵敏度分析等。文中对泄漏模共振效应最主要的应用—滤波功能进行了分析和设计，对窄带滤波器的线宽和旁带反射性能进行了分析优化。在宽带滤波的实现上，设计了夹心光栅结构的宽带滤波器，分析指出由两个混合的泄漏模贡献的两个高反射共振峰共同作用可以实现宽带滤波。理论计算结果显示，中心波长为850nm的宽带滤波器，其反射率99%以上的光谱带宽可以达到7nm。设计了非均匀光栅结构的截止滤波器，理论计算结果显示，其在波长1550nm处透射率大于99%，而在波长1310nm处反射率大于97%。通过镀膜-全息-刻蚀工艺制备了ZrO2材料的表面浮雕式泄漏模共振滤波器样品，并进行了测试和分析，初步建立了一整套制备泄漏模共振滤波器的工艺流程。首先获得了线宽为17nm，峰值衍射效率为72%的窄带滤波器，旁带反射抑制在7%之内。把两个共振波长接近的窄带共振滤波器进行浮雕面对面地叠合，获得了夹心光栅结构的宽带滤波器，使得单个共振滤波器获得了有效的光谱展宽，实测光谱展宽值为30nm。利用严格耦合波理论分析了结构参数误差对泄漏模共振滤波器光谱性能的影响，分析表明结构参数的偏差与共振滤波器的峰值位置、线宽几乎均具有线性关系；光栅周期误差和波导层厚度是影响共振滤波器峰值波长的最主要因素，因此在制备过程中需要精确地控制周期；而槽深和光栅层的厚度误差影响最小。根据分析结果提出在工艺中动态补偿制作误差的方法，即在每段工艺结束时测量实际值与设计值的偏差，实时调整后段工艺的结构参数，从而实现对各阶段制作误差的逐步消除。分析了共振光子生物传感器对被测样品折射率和厚度的灵敏度影响。首次分析了共振光子生物传感器和共振波长的相关性，结果表明共振波长越长，共振光子生物传感器的检测灵敏度和测量范围也更大，为设计生物传感器的共振波长提供必要的理论依据。通过对基于泄漏模共振效应的微纳光子传感器的研究，解决了泄漏模共振滤波器存在的一些问题，并为共振滤波器的设计提供了一些理论基础，通过实验对设计进行了验证。本文的研究成果可以促进泄漏模共振滤波器的发展，使得泄漏模共振滤波器进一步走向实用化。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-23
  §1.1 泄漏模共振效应的由来  12-15
  §1.2 泄漏模共振效应的发展现状  15-16
  §1.3 泄漏模共振效应的应用  16-18
  §1.4 本论文研究内容  18-19
  参考文献  19-23
第二章泄漏模共振效应  23-41
  §2.1 衍射光栅  23-26
  §2.2 泄漏模共振效应原理  26-27
  §2.3 共振条件  27-29
  §2.4 共振结构的波导分析  29-33
  §2.5 共振态的相位分析  33-35
  §2.6 共振态的驻波场特性分析  35-38
  §2.7 本章小结  38-39
  参考文献  39-41
第三章共振滤波器的分析与设计  41-77
  §3.1 薄膜基础  41-44
  §3.2 等效介质理论  44-46
  §3.3 严格耦合波理论  46-54
  §3.4 共振滤波器的经典结构  54-55
  §3.5 窄带滤波  55-64
    §3.5.1 线宽控制  56-59
    §3.5.2 旁带抑制  59-64
  §3.6 宽带滤波  64-71
    §3.6.1 非均匀光栅结构  65-67
    §3.6.2 夹心光栅结构  67-71
  §3.7 截止滤波  71-72
  §3.8 本章小结  72-73
  参考文献  73-77
第四章共振滤波器的制备与误差分析  77-104
  §4.1 共振滤波器的制备工艺  77-78
  §4.2 结构参数的误差分析  78-82
  §4.3 设计光谱  82
  §4.4 镀膜及测试  82-84
  §4.5 全息曝光  84-86
  §4.6 刻蚀  86-88
  §4.7 测试与分析  88-94
    §4.7.1 结构参数测试与分析  88-91
    §4.7.2 光谱性能测试与分析  91-94
  §4.8 误差的动态补偿分析  94-101
  §4.9 本章小结  101-103
  参考文献  103-104
第五章共振光子生物传感器灵敏度分析  104-114
  §5.1 引言  104-106
  §5.2 共振光子生物传感器的灵敏度分析  106-110
    §5.2.1 折射率灵敏度  106-108
    §5.2.2 厚度灵敏度  108-110
  §5.3 本章小结  110-112
  参考文献  112-114
第六章总结与展望  114-116
  §6.1 主要研究成果  114
  §6.2 论文主要创新点  114-115
  §6.3 需要进一步解决的问题  115-116
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  116-117
致谢  117

基于泄漏模共振效应的微纳光子传感器

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