多腔單模光子晶體微腔性能的設計優(yōu)化及其在雙參量傳感中的應用研究

多腔單模光子晶體微腔性能的設計優(yōu)化及其在雙參量傳感中的應用研究在信息技術和通信技術的發(fā)展過程中,一直延續(xù)著信息采集、信息傳輸、信息處理的獲取和處理方式,而在最基礎的信息采集部分,最關鍵的技術是傳感技術。傳感,即從自然信源中獲取信息,并對之進行處理的過程。與傳統(tǒng)的傳感器相比,光子晶體傳感器具有高靈敏度、低模式體積、易集成和抗電磁干擾,同時光子晶體傳感器是一種光器件,對于通信的全光集成也起著很大的推動作用。在光子晶體傳感中,光子晶體微腔由于其結構的多樣性和高Q值、低模式體積、易集成的性能特性,使得利用光子晶體微腔傳感有很多其他結構所不具有的優(yōu)點。首先,結構的多樣性,光子晶體微腔根據(jù)微腔結構可以分為HO、H1、Ln等多種線性微腔,以及軌道式的環(huán)形腔等,結構的多樣性帶來了性能的多樣性。而微腔對于光子的高局域特性,使得光子晶體微腔可以優(yōu)化獲得高Q值和低模式體積的優(yōu)點。一個微腔相對于整個光子晶體結構而言是獨立的,所以我們可以根據(jù)該結構的相應比例集成到其他的光子晶體結構中,與其他結構進行耦合,并且保留其特有的優(yōu)異特性。據(jù)此,本文提出一種借助兩個不同結構微腔進行雙參量傳感的光子晶體結構。設計的第一步是設計并優(yōu)化可以實現(xiàn)折射率傳感和溫度傳感的二維光子晶體微腔。經過多次仿真對比,我們最終選擇了L3微腔和L4微腔這兩種結構作為傳感的備選結構,因為其所表現(xiàn)出來的高Q值和高透射是傳感研究中很重要的兩個性能。依據(jù)傳統(tǒng)的對于光子晶體微腔優(yōu)化方法,也就是調整微腔周圍空氣孔的半徑和位置,L3微腔的Q值可以達到15860,L4微腔的Q值可以達到7087。為了實現(xiàn)雙參量同時傳感,我們利用一個光子晶體波導將兩個微腔耦合,由于兩個微腔之間的相互影響,L3微腔的Q值達到16330.8,L4微腔的Q值達到8358.21,同時透射強度并沒有太大變化。從中可以看出兩個微腔之間的串擾是很小的,為了進一步量化兩個微腔之間的串擾,我們又做了一系列的仿真研究,結果表明,兩個微腔之間的串擾最大為4.51dB,進一步說明了微腔之間的低串擾。設計的第二步是相關的傳感研究,對于這部分研究,我們選擇了折射率和溫度作為兩個參量進行研究。首先,折射率在生物檢測和化學檢測中都是一項關鍵的參量,因為溶液濃度、粒子大小都會反映在折射率的變化上,所以對于折射率的檢測,其應用范圍會更廣;其次,溫度是一般檢測中都必須考慮也容易忽略的參量,對于溫度的控制更加容易保證研究的嚴謹性。經過相關的仿真研究,通過采用檢測諧振峰的波長偏移,計算獲得了相應的靈敏度。對于L3微腔,其折射率靈敏度為111nm/RIU,溫度靈敏度為74pm/K;對于L4微腔,其折射率靈敏度為107nm/RIU,溫度靈敏度為76pm/K。由此獲得的靈敏度矩陣是一個滿秩矩陣,這也保證了雙參量同時傳感的理論可行性。文章的最后一部分就是分析在實際實驗過程中可能遇到的誤差問題,進而分析該結構的穩(wěn)定性。這一部分主要考慮了空氣孔半徑的偏移對于結構Q值和靈敏度的影響,通過給空氣孔加-5%-10%的半徑偏差,對比相應的Q