【摘 要】
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光学微环谐振腔其特殊的回音壁结构,具有高Q值、小尺寸等优点,在集成光子学中有着广泛应用。光通信中经常用作光开光、光时延器、光滤波器,光传感中可以用来生化传感、超声成像。聚合物有着成本低、工艺简单等诸多常见半导体材料不具有的优点在光波导材料中越来越受欢迎。本文介绍了微环谐振腔的发展及国内外的研究现状。从模式理论出发,结合仿真软件分析了微环谐振腔的光学传输特性,设计并制备出了一种直通型聚苯乙烯微环谐振
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光学微环谐振腔其特殊的回音壁结构,具有高Q值、小尺寸等优点,在集成光子学中有着广泛应用。光通信中经常用作光开光、光时延器、光滤波器,光传感中可以用来生化传感、超声成像。聚合物有着成本低、工艺简单等诸多常见半导体材料不具有的优点在光波导材料中越来越受欢迎。本文介绍了微环谐振腔的发展及国内外的研究现状。从模式理论出发,结合仿真软件分析了微环谐振腔的光学传输特性,设计并制备出了一种直通型聚苯乙烯微环谐振腔,其Q值可达10~5。最后将微环谐振腔应用于水下超声探测,为微环超声成像的研究奠定理论基础。本文的主要工作如下:首先通过定向耦合器的传输矩阵,推导出光场在微环谐振腔中的传输特性,并分析了微环谐振腔物理结构对微环传输谱线的影响。基于理论知识结合有限元法、时域有限差分法等分析方法,借助仿真软件分析验证其规律,得出了微环谐振腔光学性能(Q值、自由光谱范围、耦合深度等)与结构参数(微环半径、波导截面尺寸、耦合间距)之间的关系。借助COMSOL仿真软件设计出一种单模传输的直通型聚苯乙烯微环谐振腔。然后按照设计的聚苯乙烯微环谐振腔结构,采用EBL、ICP伪Bosch刻蚀等工艺制备出与微环谐振腔图形相同的高深宽比硅模具,再通过纳米压印技术借助PDMS软模转印将硅模具上的图形转移到聚苯乙烯薄膜上,实现了微环半径100μm、高1.4μm、宽1.5μm的聚苯乙烯微环谐振腔,经过工艺优化其Q值最高可达2.19×10~5(@1310nm),并通过平端耦合将聚合物波导与普通光纤相连接,将微环谐振腔制作成可应用的传感器。最后基于光弹效应的微环谱线偏移幅度测量法,将上述聚苯乙烯微环传感器置于水中,通过采集微环传输谱线上工作点的幅度变化监测外界超声波变化,本文所制作的聚苯乙烯微环谐振腔,在1 MHz的声波作用下其声压灵敏度有-228 d B,并研究了其声压灵敏度与微环Q值、耦合深度、输出功率之间的密切关系。
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