【摘 要】
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随着信息技术的快速发展,传感技术作为多个重要学科交叉的综合技术,在健康医疗、航空航天、环境监测、智能家居、智慧城市等多个领域都发挥着至关重要的作用。在传感器设计中,为了实现微型化、可携化、低成本、高灵敏度的传感器件,研究者逐渐转向抗电磁干扰能力更强的光学传感器。微环谐振器作为一种结构简单、拥有较强谐振的微型光学器件,它的品质因子高、带宽窄、结构紧凑且易于集成,因此被广泛应用到温度、湿度、生化溶液、
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随着信息技术的快速发展,传感技术作为多个重要学科交叉的综合技术,在健康医疗、航空航天、环境监测、智能家居、智慧城市等多个领域都发挥着至关重要的作用。在传感器设计中,为了实现微型化、可携化、低成本、高灵敏度的传感器件,研究者逐渐转向抗电磁干扰能力更强的光学传感器。微环谐振器作为一种结构简单、拥有较强谐振的微型光学器件,它的品质因子高、带宽窄、结构紧凑且易于集成,因此被广泛应用到温度、湿度、生化溶液、气体环境、折射率等不同的传感领域。本文以传感应用为背景,研究了两种基于微环谐振器的光学器件。为了满足传感器检测物质某一物理量微小变化的需求,研究了一维光子晶体微环传感器,利用Fano光谱非对称、高斜率的特性实现高灵敏度检测;为了解决目前微环传感器灵敏度和探测范围不可兼得的问题,提出了一种内嵌布拉格光栅波导的微环传感器。主要工作包括以下几点:（1）研究全通型和上下载型微环谐振器的工作原理和传输理论,以平板波导的耦合理论为基础,利用传输矩阵法分析这两种传统结构,推导微环的谐振方程,消光比,品质因数,半高全宽等性能指标的表达式。（2）研究时域有限差分法对麦克斯韦方程的求解过程,利用FDTD模拟仿真微环谐振器的电场分布和透射光谱。通过分析和验证槽型波导对光波的局域作用,为后文折射率传感设计提供一种能够增加灵敏度的波导类型。最后给出微环传感器的传感机理,分析光谱检测和强度检测两种检测方法的区别和应用领域。对传感灵敏度等性能指标进行研究。（3）研究一维光子晶体槽型微环谐振器的传输特性,利用一维光子晶体缺陷对光波的调制特性,实现了非对称的Fano共振光谱。对器件进行了优化,对一维光子晶体尺寸进行了容差分析。得到了高消光比,高Q-factor的微环谐振器,消光比为29.08d B,Q因子为30950。采用该器件作为光学传感器测量了其传感性能,当采用光谱检测法时灵敏度S为344nm/RIU,折射率检测下限LOD为1.4×10-4RIU,当采用强度检测法时灵敏度为2669.8/RIU。设计的传感器件可以适用对灵敏度高要求的微量待测物质。（4）提出高灵敏度宽探测范围的微环谐振传感器,在槽型环波导狭缝中嵌入布拉格光栅,利用光栅的反射使得光波在内外侧壁拥有不同的光程而相互干涉产生较高Q-factor和斜率的类电磁诱导透明效应。并给出布拉格光栅的波长选择特性光谱,利用该特性拓宽微环谐振器的自由光谱范围。最后将器件作为光学传感器,利用光谱检测法分析传感性能,灵敏度达到433.33nm/RIU,LOD为8.26×10-4 RIU。设计的传感器件可以满足传感器高灵敏度,宽探测范围的新要求。
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