硅基微環(huán)諧振器及其超高靈敏度傳感應(yīng)用研究.pdf

1、微環(huán)諧振器在光子學(xué)研究中備受矚目，廣泛應(yīng)用于通信、信息處理和傳感等不同領(lǐng)域。本論文中開展了硅基環(huán)諧振器小型化和硅基微環(huán)傳感器靈敏度提高的相關(guān)研究，主要工作包括以下幾點:
　　 針對超小型環(huán)諧振器中存在嚴重的模式轉(zhuǎn)換損耗這一問題展開研究。論文第一次從理論和實驗上研究了彎曲半徑小于工作波長的超小型硅基環(huán)諧振器的相關(guān)重要特性（Q值），并嘗試利用彎曲耦合結(jié)構(gòu)克服常規(guī)結(jié)構(gòu)中存在的嚴重的模式失配損耗。此研究為獲得高Q值超小型諧振器提供一種有

2、效途徑，為不斷減小器件尺寸、實現(xiàn)超高集成度及器件陣列提供了可能性。實際制作了半徑為0.75μm的超小型環(huán)諧振器。通過對實驗得到的頻譜進行分析，發(fā)現(xiàn)彎曲波導(dǎo)作為耦合波導(dǎo)時器件的Q值為4000，而使用直波導(dǎo)作為耦合波導(dǎo)時，器件的Q值為1400。通過分析和實驗證明了使用彎曲型耦合波導(dǎo)可以減小器件損耗，提高器件Q值。
　　 針對現(xiàn)有微環(huán)傳感器系統(tǒng)因外圍設(shè)備（諸如高性能光譜儀等）造成系統(tǒng)整體成本高、體積大、不適合便攜式應(yīng)用的問題，設(shè)計了基

3、于硅納米線的游標型雙環(huán)傳感器。測試時觀察游標型雙環(huán)諧振器頻譜中諧振主峰的數(shù)字式跳變，通過設(shè)計可使這個跳變的波長距離為納米量級甚至更大，從而實現(xiàn)超高靈敏度。
　　 為進一步優(yōu)化硅基微環(huán)傳感器的靈敏度，降低對光譜儀分辨的要求，本論文使用硅納米線懸掛式波導(dǎo)作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化芯層硅的厚度，可以使硅納米線懸掛式波導(dǎo)的波導(dǎo)靈敏度(dneff/dna)達到1.2，是普通硅納米線條形波導(dǎo)的2倍以上，因而由其組成的普通微環(huán)傳感器的靈敏度（dλ

4、/dnc）也可以提高2倍以上，這個值優(yōu)于狹縫波導(dǎo)。而且待測物質(zhì)可以很容易地包圍整個硅納米線，不會出現(xiàn)狹縫波導(dǎo)那種待測物質(zhì)無法填滿狹縫從而導(dǎo)致其波導(dǎo)靈敏度無法達到理論預(yù)期的情況。另外當選擇比較小的波導(dǎo)高度時，懸掛式波導(dǎo)的波導(dǎo)靈敏度幾乎不隨波導(dǎo)寬度變化而變化，具有非常高的工藝容差，在這一點上也優(yōu)于狹縫式波導(dǎo)。將懸掛式硅納米線與游標型雙環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)了一種具有超高靈敏度的新型光波導(dǎo)傳感器，并通過實驗測試得到其靈敏度（dλ/dnc）為4.6