環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀傳感特性研究.pdf

1、光學(xué)傳感技術(shù)在理論研究領(lǐng)域和實(shí)用生產(chǎn)技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用。從光學(xué)傳感器近十年的飛速發(fā)展來(lái)看,傳感器的傳感特性,也就是探測(cè)靈敏度的提高是與光電子科學(xué)技術(shù)、微電子加工技術(shù)的不斷深化,以及對(duì)光的物理本質(zhì)的充分認(rèn)識(shí)有著非常緊密的聯(lián)系。近年來(lái),基于回音壁模式的光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)逐漸成為人們研究的熱點(diǎn),既加深了對(duì)光在諧振結(jié)構(gòu)中傳輸特性的理解,又提供了一種新的解決方案去改善光學(xué)生物和化學(xué)傳感器的傳感特性。目前,基于回音壁模式光學(xué)生化傳感器的研究逐漸深入

2、,低成本、高效益,高靈敏度、高選擇性、高集成度、小型化和能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)的生化傳感器是人們追求的目標(biāo)。鑒于此,本論文的主要研究?jī)?nèi)容是提出一種基于回音壁模式的光學(xué)諧振結(jié)構(gòu),它是由雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀組成。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究,證明雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀具有高靈敏度的傳感特性。并希望能夠?yàn)榛诨匾舯谀Ｊ降墓鈱W(xué)傳感技術(shù)改善傳感特性方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究及其應(yīng)用做出一定的貢獻(xiàn)。
　　首先,在單環(huán)諧

3、振結(jié)構(gòu)中分析了三種耦合方式(欠耦合、臨界耦合和過(guò)耦合)對(duì)光譜輸出特性和色散特性的影響。在雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)中,分別在頻域上和復(fù)平面上分析了光譜輸出特性和色散特性。其光譜輸出特性主要表現(xiàn)為耦合諧振誘導(dǎo)透明和耦合諧振誘導(dǎo)吸收,分別對(duì)應(yīng)于正常色散響應(yīng)和反常色散響應(yīng)。特別對(duì)復(fù)平面上的透過(guò)極值點(diǎn)和色散反轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行研究。同時(shí)研究了當(dāng)有增益因子作用于環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)使諧振結(jié)構(gòu)的色散響應(yīng)發(fā)生反轉(zhuǎn)。
　　其次,著重研究了雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)(衰減系數(shù)、透

4、射系數(shù)(分束比)和環(huán)長(zhǎng)度)對(duì)光譜輸出特性和色散特性的影響。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬證明了環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)中兩個(gè)透射系數(shù)(分束比)的不同匹配可以在諧振頻率處獲得相同的透過(guò)率和群延遲,并且群延遲的大小不易受損耗的影響。尤其當(dāng)兩環(huán)長(zhǎng)度比為2:1時(shí),雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)在窄帶凹陷處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的色散響應(yīng)。因此,為下一步研究雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀高靈敏度的傳感特性提供了理論推演和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的依據(jù)。并且本論文中所設(shè)置的結(jié)構(gòu)參數(shù)都可以在實(shí)驗(yàn)中實(shí)

5、現(xiàn)。
　　再次,分別針對(duì)單環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀和雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀,利用固定波長(zhǎng)強(qiáng)度探測(cè)感知折射率變化的方式,在理論上分析了兩種諧振結(jié)構(gòu)的傳感特性。根據(jù)環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀參考臂的相位不同,輸出光譜會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱線型和非對(duì)稱線型,分別對(duì)應(yīng)于對(duì)稱型環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀和非對(duì)稱型環(huán)型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀。當(dāng)諧振腔的

6、折射率發(fā)生變化時(shí),將對(duì)稱型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀和非對(duì)稱型諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀在固定波長(zhǎng)上測(cè)得的光強(qiáng)變化進(jìn)行比較,可得到非對(duì)稱型雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀具有更高的靈敏度。通過(guò)對(duì)雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可增強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)對(duì)極微小折射率變化的感知能力,因而使得非對(duì)稱型雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀具有高靈敏度的傳感特性。

7、>　　最后,在實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)單環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀和雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀的傳感特性進(jìn)行研究。理論上考慮光纖耦合器的插入損耗和兩環(huán)長(zhǎng)度的比值,對(duì)理論模型進(jìn)行修正,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與修正后的理論結(jié)果能夠很好的符合。與傳統(tǒng)Mach-Zehnder干涉儀相比,雙環(huán)諧振結(jié)構(gòu)耦合Mach-Zehnder干涉儀的靈敏度有顯著的提高。通過(guò)改變參考臂的相位,可以得到光譜譜線的迅速響應(yīng),以及譜線的明顯變化,從而體