基于光子晶体微腔的微力传感技术研究

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自上世纪八十年代光子晶体被发明以来,仅几十年的时间内,光子晶体便有了十分广泛的应用领域,从微波通信,到太赫兹器件到光子芯片,从通信器件、太阳能电池、到生物化学传感到隐身技术,可以说,涵盖了光通讯、激光器、光子器件等非常广阔的领域。因此近年来对光子晶体的研究可谓如火如荼,其中之一就是光子晶体微腔的研究。光子晶体微腔结构具有多样性,用光子晶体微腔替代传统谐振腔用于传感系统中,可以使灵敏度得到极大的提高,同时光子晶体微腔结构便于集成,使其在纳机电系统中扮演了重要的角色,为高灵敏度、微型化传感器的设计提供了可能,具有非常重要的应用价值。本文提出了一种将光子晶体微腔应用于微力检测的新方法,文章的主要研究内容包括:(1)通过比较分析选择了基于光子晶体谐振腔光的微力传感方法进行研究,发现品质因子的提高能大幅度提高微力分辨力,以此为目标,之后对光子晶体和光子晶体谐振腔的仿真方法进行了对比研究,选择有限时域差分方法(FDTD),以品质因子的提高为目的对微腔进行了结构的优化,得到了几种典型的微腔的优化结构,使谐振腔的品质因子达到了7000以上。(2)针对基于悬臂梁结构的微力传感器存在谐振频率易受到多方面因素调制的问题,提出了新的传感探头,使系统在收到微力的时候,微腔仅受到一种因素的影响而发生谐振频率漂移,以提传感器高传感的线性度。之后进一步适用FDTD方法,分析了传感原理,并对传感探头受微力后的波长漂移做了仿真,得到了其检测灵敏度为:0.932pm/nN。(3)最后,针对这一微力传感系统,提出了一种基于光纤环形强衰荡技术的波长解调方法,将波长的移动转化为光强衰当时间的变化,消除了外界噪声对光强的影响。之后选取对系统参数做了深入分析,选取了3000米长的延时光纤,以及两个10:90的耦合器,搭建了波长解调的实验系统,通过实验,得到了系统的解调灵敏度为12pm。
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