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光学微环生物传感器的设计与优化

作　者: 夏志轩
导　师: 周治平
学　校: 华中科技大学
专　业: 光电信息工程
关键词: 生物传感器微环谐振腔灵敏度分析探测极限
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 257次
引　用: 7次
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内容摘要

微环谐振腔具有高品质因数、低成本的特点。由于它基于平面波导结构,因而易于同其它光电芯片和微流控芯片集成,并且进行化学表面处理。另外,谐振效应的引入能够在提高灵敏度的同时大大缩小器件的尺寸,所以基于微环谐振腔的生物传感器是一种高灵敏度的,可对微量生物物质进行探测的传感器。本文在国家自然科学基金的资助下,对微环生物传感器的理论模型和性能参数做了系统性的分析研究,完成的主要工作有以下几点:(1)基于模式耦合理论和时域有限差分法,深入研究直波导与弯曲波导的耦合性质,并在此基础上建立微环谐振腔的理论模型,得到器件的主要参数如自由频谱区间FSR和品质因数Q的表达式;(2)根据微环传感器的工作原理,将总灵敏度分为波导灵敏度和器件灵敏度,着重分析器件灵敏度与传输因子σ、自耦合因子t、以及工作波长λ的关系,并结合上述参数与其他结构参数的关系,提出具体的设计和优化方案;(3)利用高斯函数对原洛伦兹响应谱的近似,得到器件品质因数Q与器件灵敏度的关系,从而推出基于品质因数和系统信噪比(SNR)求得探测极限的理论方法,该法对以监测强度变化为工作原理的微环传感器普遍适用;(4)推出在具有相位噪声的非理想光源激励下的器件响应总谱,进而得出具有不同线宽的激光光源对微环性能影响的关系式。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 引言  9-10
  1.2 微环谐振腔发展简述  10-11
  1.3 微环谐振腔的应用  11
  1.4 微环谐振腔的分类  11-13
    1.4.1 按制作材料分类  11-12
    1.4.2 按耦合方式分类  12
    1.4.3 按耦合结构分类  12-13
  1.5 本文的工作  13-15
2 光学微环理论基础  15-33
  2.1 引言  15
  2.2 直-弯波导耦合器  15-26
    2.2.1 模式耦合理论及其在直-弯波导耦合器上的应用  16-20
    2.2.2 时域有限差分及其在直-弯波导耦合上的应用  20-25
    2.2.3 直-弯波导耦合器的散射矩阵  25-26
  2.3 单直波导耦合微环模型  26-29
    2.3.1 场强增强因子  27
    2.3.2 临界耦合  27-28
    2.3.3 自由频谱空间FSR  28
    2.3.4 线宽△λ3dB 和精细度F  28-29
    2.3.5 品质因数Q  29
  2.4 双直波导耦合微环模型  29-33
    2.4.1 临界耦合  31
    2.4.2 品质因数Q  31-33
3 微环传感器灵敏度分析及优化设计  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 微环传感器的工作原理  33-34
  3.3 传感性能的衡量指标  34-35
  3.4 灵敏度分析  35-43
    3.4.1 灵敏度的分类  36-37
    3.4.2 器件灵敏度  37-43
  3.5 微环传感器的优化设计  43-46
4 微环传感器的探测极限  46-54
  4.1 引言  46-47
  4.2 探测极限  47-54
    4.2.1 响应谱的高斯近似  47-49
    4.2.2 器件灵敏度  49-50
    4.2.3 矫正因子τ  50-52
    4.2.4 探测极限的推导  52-54
5 激光器随机相位噪声的影响  54-59
  5.1 引言  54
  5.2 具有相位噪声的非理想激光器输出谱  54-55
  5.3 非理想激光器对微环的影响  55-59
    5.3.1 传感性能劣化  56-58
    5.3.2 谐振峰值强度下降  58-59
6 总结与展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-65
附录 1 攻读学位期间发表论文目录  65

光学微环生物传感器的设计与优化

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