光波导环形谐振腔的溶液浓度传感特性研究

摘要

在信息技术快速发展的今天，传感技术的发展势头迅猛，已经跻身为和计算机技术以及通信技术具有相同的地位信息产业技术的三大支柱之一。溶液浓度的传感测试已经被广泛应用到工业生产、农业医疗、日常生活等各个领域，因此现有的传感器件已经不能满足人们的需求，需要投入大量的技术来研制出成本更低、结构更小、效率更高的产品。本文根据倏逝波传感原理设计光波导环形谐振腔结构，通过微电子制作工艺制备测试溶液浓度的传感结构。 光波导环形谐振腔结构紧凑、加工方便、设计灵活、能够实现较高的品质因数，将该结构应用到对溶液浓度的传感测试当中可以实现光学传感器的各种优点并获得较高的传感灵敏度。本文以二氧化硅掺杂锗元素为光波导芯层材料，以氯化钠和乙醇溶液为待测目标，研究了光波导环形谐振腔的溶液浓度传感的设计制作以及并测试其传感性能。 首先，本文对光波导的模式场和电磁场理论进行分析，介绍了环形谐振腔的基本结构以及相关理论，并分析其特性指标与谐振腔性能参数之间的联系以及谐振腔的传输矩阵。 其次，对光波导环形谐振腔结构进行建模仿真，设计并优化合光波导结构参数，分析光波导环形谐振腔的传感理论，以Comsol有限元仿真软件建模波导结构模拟传感测试溶液浓度实验。 再次，根据建模仿真得到的光波导环形谐振腔主要参数，设计并通过外协加工制作光刻掩模版，在制作传感器结构时需要选择光刻和干法刻蚀等工艺制作方法。 最后，实验测试光波导环形谐振腔传感器结构的通光性能并对五种不同浓度的待测氯化钠溶液和乙醇溶液进行传感测试。测得该结构光谱的自由谱宽FSR约为4.54nm，品质因数Q约为3.24×103，测试出该结构对氯化钠溶液和乙醇溶液浓度的灵敏度分别约为83.5pm/%和24.78pm/%。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 光学传感器的分类

1.3 本文主要研究内容

2 光波导环形谐振腔的基础分析

2.1光波导理论分析

2.1.1 光波导的模式场分析理论

2.1.2 条形波导的电磁场理论分析

2.2 环形谐振腔基本理论

2.2.1 环形谐振腔基本结构

2.2.2 环形谐振腔的主要特征参数

2.3 环形谐振腔的传输矩阵分析

2.3.1 振幅耦合方程

2.3.2 传递函数

2.4 本章小结

3光波导环形谐振腔溶液浓度传感器的工作原理及建模仿真

3.1 光波导环形谐振腔传感原理

3.2 基于有限元方法的溶液浓度传感器仿真分析

3.3 本章小结

4 光波导环形谐振腔结构工艺制作

4.1 材料选择及版图绘制

4.2 光波导环形谐振腔的工艺制作流程

4.3 主要制作工艺

4.4 本章小结

5光波导环形谐振腔的溶液浓度测试分析

5.1光波导环形谐振腔测试系统搭建

5.2 环形谐振腔光学性能测试

5.3 溶液浓度传感测试

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢