光子晶体在生化传感中的应用研究

论文摘要

光子晶体的腔与波导结构是光子晶体的基本结构,由光子晶体腔或波导构成的结构可以广泛地应用于传感、光通信以及微光电器件设计等领域。通过研究光子晶体腔与波导的光学特性,进一步研究腔与波导的耦合特性以及理论模型,在此基础上研究其在生化传感方面的应用,针对应用进行理论设计和优化,并在实验中做进一步探讨和验证。基于平面波展开法,研究光子晶体中腔的各种模式的场的特性以及光子晶体腔的品质因素与其影响因素；用平面波展开法对三角形结构的光子晶体波导模式和特性进行简要分析。基于耦合模式理论对光子晶体的腔与波导的耦合特性进行深入分析,用法布里-珀罗腔比拟的方式确立光子晶体腔与波导耦合的理论模型,并在生化传感方面的应用中使用该模型,推出生化传感器的被测量——折射率与光的输出波长的变化成线性关系,光的传输率与腔的品质因素成反方向变化的关系。基于上述理论对光子晶体生化传感器进行理论设计和优化。用平面波展开法,设计和优化了光子晶体的腔的尺寸,并用时域有限差分法（FDTD）对光子晶体腔与波导的耦合结构进行模拟研究,优化选择了波导以及光子晶体的尺寸,分析光子晶体的腔与波导的品质因素与光的传输透过率的关系。分析了光子晶体波导与腔的耦合在生化传感方面应用的理论模型,验证了理论模型的正确性。用电子束曝光+干法刻蚀的方法,加工出优化设计后的光子晶体液体生化传感器,搭建了测试实验平台,验证了该种液体传感器对样本折射率的敏感性,其输出光波长与折射率的变化成准线性变化关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光子晶体
• 1.2.1 光子晶体的基本原理
• 1.2.2 光子晶体的研究和计算方法
• 1.3 光子晶体的研究现状
• 1.4 论文的研究内容和安排
• 第二章 光子晶体腔与波导结构的特性研究
• 2.1 本章引言
• 2.2 光子晶体的结构与特性
• 2.2.1 光子晶体的一般结构
• 2.2.2 光子晶体的计算方法
• 2.2.3 光子晶体的色散曲线与禁带
• 2.3 光子晶体的腔结构
• 2.3.1 光子晶体的腔的基本概念
• 2.3.2 光子晶体腔结构的类型
• 2.3.3 光子晶体腔结构的特性
• 2.3.4 光子晶体腔结构的性能
• 2.4 光子晶体的波导结构
• 2.4.1 光子晶体波导结构的类型
• 2.4.2 光子晶体波导结构的特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 光子晶体微腔与波导耦合的理论研究
• 3.1 本章引言
• 3.2 光子晶体波导与微腔耦合的类型
• 3.3 光子晶体波导与微腔耦合的时域耦合模式理论
• 3.4 光子晶体波导与微腔耦合的频域特性
• 3.4.1 光子晶体波导与微腔耦合的频域理论模型
• 3.4.2 光在光子晶体波导与微腔耦合结构中的传输特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 光子晶体生化传感器的模拟与理论研究
• 4.1 本章引言
• 4.2 光子晶体液体传感器的模拟与优化研究
• 4.2.1 液体传感器的结构
• 4.2.2 液体传感器中的光子晶体微型腔的优化
• 4.2.3 液体传感器中的光子晶体波导的优化
• 4.2.4 液体传感器的光子晶体尺寸优化
• 4.2.5 液体传感器的性能模拟
• 4.2.6 液体传感器的优化小结
• 4.3 光子晶体气体传感器的模拟与优化研究
• 4.3.1 气体传感器的结构
• 4.3.2 气体传感器中的光子晶体微型腔的优化
• 4.3.3 气体传感器中的光子晶体波导的优化
• 4.3.4 气体传感器的性能模拟
• 4.3.5 气体传感器的优化小结
• 4.4 光子晶体传感器与外部波导的连接方式研究
• 4.5 光子晶体液体与气体传感器的理论模型研究
• 4.5.1 光子晶体液体与气体传感器的理论模型
• 4.5.2 光子晶体气体与液体传感器性能分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 光子晶体生化传感器的实验研究
• 5.1 本章引言
• 5.2 光子晶体生化传感器的微加工工艺研究
• 5.2.1 光子晶体生化传感器的微加工工艺流程设计
• 5.2.2 电子束曝光工艺简介
• 5.3 光子晶体生化传感器的测试系统
• 5.3.1 光子晶体生化传感器的测试系统的设计
• 5.3.2 光子晶体生化传感器的测试系统中的光学耦合研究
• 5.3.3 光子晶体生化传感器测试系统的实验调试研究
• 5.4 生化传感器的传感特性实验结果分析
• 5.5 传感器性能提高的进一步分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.2 创新性成果
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表的学术论文与研究成果