聚合物波導(dǎo)光學(xué)生物傳感器設(shè)計(jì)與解調(diào)研究.pdf

1、碩士學(xué)位論文碩士學(xué)位論文聚合物波導(dǎo)光學(xué)生物傳感器設(shè)計(jì)與解調(diào)研究聚合物波導(dǎo)光學(xué)生物傳感器設(shè)計(jì)與解調(diào)研究PolymerOpticalWaveguideBiosensDesignInterrogation作者姓名：韓笑男學(xué)科、專業(yè)：光學(xué)工程學(xué)號(hào)：21402063指導(dǎo)教師：韓秀友完成日期：2017年6月大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文I摘要平面波導(dǎo)光學(xué)生物傳感器利用倏逝波理論來進(jìn)行傳感

2、，其擁有靈敏度高、易集成、結(jié)構(gòu)靈活多樣、可實(shí)時(shí)檢測等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。其中聚合物波導(dǎo)生物傳感器制備工藝簡單，且生物兼容性良好，受到廣泛關(guān)注。本文從提高靈敏度的角度出發(fā)來利用有限差分光束傳播法對工作于850nm波段的聚合物波導(dǎo)光學(xué)生物傳感器進(jìn)行了仿真分析，設(shè)計(jì)了Slot波導(dǎo)微環(huán)傳感器和基于譜分裂的MZI結(jié)構(gòu)波導(dǎo)傳感器，并對一種相位解調(diào)方法從仿真和實(shí)驗(yàn)的角度分別進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。主要工作如下：在微環(huán)傳感器中微環(huán)波導(dǎo)采用Slot結(jié)構(gòu)以增加光

3、場與待測生物溶液相互作用的程度來提高靈敏度，結(jié)合靈敏度和單模條件，選取了光波偏振狀態(tài)，優(yōu)化了微環(huán)波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括單波導(dǎo)高度、狹縫寬度及單波導(dǎo)寬度；為提高輸入輸出波導(dǎo)與光纖的耦合效率，兩平行直波導(dǎo)采用了正脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；綜合考慮微環(huán)周損耗、自由光譜范圍、品質(zhì)因子、傳輸光功率和消光比，優(yōu)化了微環(huán)傳感器的彎曲半徑和耦合效率；Slot波導(dǎo)微環(huán)傳感器的靈敏度比正脊形波導(dǎo)微環(huán)傳感器提高了一倍，考慮檢測系統(tǒng)分辨率，前者的探測極限比后者優(yōu)化了一倍

4、。將譜分裂原理應(yīng)用到MZI結(jié)構(gòu)傳感器中以提高靈敏度。在滿足譜分裂條件和單模傳輸?shù)幕A(chǔ)上，從增大傳感器兩臂間相位差的角度選取兩臂波導(dǎo)的寬度；從靈活調(diào)節(jié)光譜分裂范圍以適應(yīng)光源和探測設(shè)備的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了兩臂不等長的傳感器結(jié)構(gòu)，一臂是直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，另一臂向外側(cè)彎曲，兩臂長度差易調(diào)；為減小分支結(jié)構(gòu)的傳輸損耗，優(yōu)化設(shè)計(jì)了多模干涉波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)；譜分裂波導(dǎo)傳感器的靈敏度相比于Slot波導(dǎo)微環(huán)傳感器提高了2~3個(gè)數(shù)量級(jí)；考慮不同傳感臂長度、傳感臂長度制備

5、容差及不同分支結(jié)構(gòu)，設(shè)置多組參考對照，利用CAD軟件繪制了基于譜分裂的MZI結(jié)構(gòu)傳感器的掩模版，并對其進(jìn)行了制備。以MZI傳感器和微環(huán)傳感器為例，對一種基于射頻調(diào)制的傳感器相位解調(diào)方法從理論上進(jìn)行了公式推導(dǎo)，利用這種方法可以由探測電信號(hào)的二次諧波和三次諧波直接解調(diào)得到由于傳感引入的相位差；通過Matlab軟件仿真驗(yàn)證了該方法的正確性，并利用實(shí)驗(yàn)對該方法的可行性進(jìn)行了初步驗(yàn)證；根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了該相位解調(diào)方法的檢測精度和動(dòng)態(tài)范圍，討