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新型SOI微环光子生物传感器设计与特性研究

管磊  
【摘要】:相对于传统的光学系统,光子集成芯片可有效降低光学系统成本和复杂性。光学生物传感系统的集成化是将硅基激光器、硅基传感器以及光电探测器集成到同一衬底平台上,代表了光传感技术未来的发展方向。本文将分别研究光学传感系统中两个重要组成部分:激光器和光传感器。在激光器方面,由于量子点激光器具有阈值电流低、特征温度高、调制带宽、增益高以及易于集成等诸多优点,因此本文选择以量子点激光器作为未来片上集成光学生物传感系统的光源加以研究。从量子点激光器各能级之间载流子的跃迁过程出发构建速率方程,经过对此方程的等效变换,将其转换为回路方程,以此构建等效仿真模型,研究单模和多模量子激光器的各种特性,为最终的器件实现奠定理论与模型基础。在光学传感器方面,以微环腔和一维光子晶体腔为基础,设计了多种新型结构用于生物传感。首先,研究单微环的各参数对微环传输特性的影响,并仿真模拟单微环的传感特性;通过将两个半径不同的单微环串联起来构成一个双微环传感系统,此双微环传感系统可以通过差分运算有效减小噪声对传感器的影响。之后提出了一种基于单根波导实现的双螺旋跑道微环腔,由于在此结构中引入游标效应,相对于普通的微环,其传感性能得到极大的提高。其次,对在光波导上周期性刻蚀均匀圆孔形成的一维光子晶体结构进行了研究,分析了均匀一维光子晶体的结构参数对其传输特性的影响。基于均匀一维光子晶体,通过改变特定圆孔的大小,设计出一种非均匀一维光子晶体生物传感器,优化其结构后可用于光传感方向,并着重分析了其传感性能。最后,通过在微环上周期性刻蚀性非均匀的圆孔,提出了一种新型的微环光学传感结构,此传感结构的传输谱线会出现Autler-Townes分裂(Autler-Townes splitting,ATS),可以通过ATS的两模式的间距随着待测物折射率的改变而改变来进行传感,可显著的提高传感性能。


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