基于硅纳米线波导微腔的光学多参数传感器研究

摘要

人类如今正在全面进入信息化、智能化社会的“大数据时代”，传感器技术作为信息化社会的“感官”，同时也是现代信息产业的三大核心支柱技术之一，在过去十几年的时间里得到了飞速而迅猛的发展，各类测量温度、折射率、湿度、分子浓度、应力等物理、化学、生物参量的光学传感器在环境检测、医疗诊治、安保安防及航空航天等诸多领域得到了非常广泛的应用。硅基集成光子器件因其超小的器件尺寸，极低的片上传输损耗，同传统半导体产业中的CMOS工艺相兼容以及大规模低成本制造的潜力等，近年已经成为集成光学领域最具有前景的热点方向，并在光互连、光通信及光传感等方面得到了广泛的应用。光学传感器在实际应用过程中往往需要克服不同外部环境参数交叉影响的问题，本文基于硅基光子集成器件平台，分别提出并设计了基于硅基微环谐振腔与硅基一维光子晶体纳米梁谐振腔的集成型多参数传感器件，通过将相应器件应用于温度、折射率和湿度传感测量，实现了对不同外部环境参数的同时传感检测。 首先，本文介绍了平面光波导的基本理论和常用的数值仿真计算方法，阐述了硅纳米线波导的基本特性及微环谐振腔与光子晶体纳米梁谐振腔的基本特性。此外介绍了制作硅基集成光子器件的光刻胶旋涂、电子束曝光、干法刻蚀等主要工艺流程。 然后，提出了利用硅纳米线波导的TE偏振与TM偏振进行双参数传感的技术思路，设计了硅基双偏振微环谐振腔，通过对波导宽度与耦合区结构尺寸的合理设计，实现了对微环谐振腔中TE基模与TM基模的同时、有效激发，在此基础上利用NaCl水溶液对器件的性能指标参数进行了测试标定，拟合得到的折射率灵敏度为319±14nm/RIU和104±3nm/RIU，温度灵敏度为34.1±0.7pm/℃和78.7±0.5pm/℃，验证了器件对折射率和温度进行同时传感测量的功能。 接着，提出了利用硅基一维光子晶体纳米梁谐振腔的空气模式与介质模式进行双参数传感的技术思路，设计了硅基级联耦合型光子晶体纳米梁谐振腔，通过对空气模式纳米梁腔和介质模式纳米梁腔的合理设计，同时实现了对两种谐振腔的分别激发和谐振，在此基础上利用葡萄糖水溶液对器件的性能指标参数进行了测试标定，拟合得到的折射率灵敏度为254.6±9.2nm/RIU和105.5±3.1nm/RIU，温度灵敏度为30.1±0.4pm/℃和56.4±0.5pm/℃验证了器件对折射率和温度进行同时传感测量的功能。 最后，对提出的硅基双偏振微环谐振腔进行了适当调整，探索了将聚乙烯醇旋涂到硅基基片表面作为薄膜上包层的实验工艺，在此基础上通过测试初步验证了器件对湿度和温度进行传感测量的功能。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1光学传感器概述

1．1．1 SPR传感简介

1．1．2光纤传感简介

1．1．3集成光波导传感简介

1．2硅基光子学与硅基光波导传感器

1．2．1硅基光子学

1．2．2硅基光波导传感器的发展与应用

1．3本论文的主要内容及创新点

1．3．1本论文的章节安排

1．3．2本论文的主要创新点

2光波导与光波导微腔的基本理论

2．1光波导理论分析与数值求解方法

2．1．1波动方程

2．1．2光波导的数值计算

2．1．3硅纳米线波导

2．2徼环谐振腔

2．2．1微环谐振器的基本参量

2．2．2微环谐振器的模型分析

2．3光子晶体纳米梁谐振腔

2．3．1硅基纳米梁谐振腔的频带结构

2．3．2硅基纳米梁谐振腔的两种模式

2．3．3硅基纳米梁谐振腔的基本参量

2．4谐振腔传感基本原理

2．5本章小结

3硅基光学谐振腔的制作工艺与测试平台

3．1 SOI晶圆片的清洗与匀胶

3．2电子束曝光与显影

3．3 S01晶圆片的刻蚀

3．4垂直耦合测试系统与耦合光栅

3．5本章小结

4基于硅基双偏振微环谐振腔的温度／折射率双参数传感器

4．1硅基双偏振微环谐振腔双参数传感原理

4．2硅基双偏振微环谐振腔的结构设计

4．3硅基双偏振微环谐振腔的制作

4．4硅基双偏振微环谐振腔的测试

4．5本章小结

5基于硅基级联耦合型光子晶体纳米梁谐振腔的温度／折射率双参数传感器

5．1硅基级联耦合型光子晶体纳米梁谐振腔的结构与工作原理

5．2硅基级联耦合型光子晶体纳米粱谐振腔的结构设计

5．3硅基级联耦合型光子晶体纳米粱谐振腔的制作

5．4硅基级联耦合型光子晶体纳米粱谐振腔的测试

5．5本章小结

6基于硅基双偏振微环谐振腔的湿度、温度传感器

6．1光学湿度传感及其工作原理

6．2硅基双偏振微环谐振腔的结构设计与器件制作

6．3硅基双偏振微环谐振腔的测试

6．4本章小结

7总结与展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文及专利