新型微環(huán)諧振器及其傳感特性研究.pdf

1、傳感技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)不可缺少的組成部分之一。傳統(tǒng)的電子傳感器件往往體積較大，而且在電磁干擾等惡劣環(huán)境下并不能勝任，這就為以光波導(dǎo)為媒體、光作為載體的光學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。隨著人們對(duì)傳感器件微型化、集成化等要求的不斷提高，“片上實(shí)驗(yàn)室”的概念被提出，利用光波導(dǎo)表面的消逝場(chǎng)感知外界環(huán)境變化的微型光學(xué)傳感器件成為研究熱點(diǎn)，尤其是具有高Q值、低成本的微環(huán)諧振器在傳感應(yīng)用方面的研究備受關(guān)注。目前，微環(huán)諧振器在溫度

2、、折射率、加速度等方面的傳感研究被大量報(bào)道，然而如何提高微環(huán)傳感器探測(cè)靈敏度和測(cè)量范圍仍然是微環(huán)傳感系統(tǒng)尚未得到很好解決的問(wèn)題。本文圍繞著這兩類重要問(wèn)題，展開了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)的研究，具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　針對(duì)傳統(tǒng)微環(huán)諧振器存在波長(zhǎng)不可調(diào)諧、自由頻譜范圍(FSR)較小和結(jié)構(gòu)不靈活等問(wèn)題，提出了一種帶有相位調(diào)制器的雙輸入微環(huán)諧振結(jié)構(gòu)。首先采用傳輸矩陣法計(jì)算雙輸入微環(huán)諧振器的傳遞函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析該諧振結(jié)構(gòu)的傳輸特性，給出

3、了臨界耦合條件。通過(guò)討論兩個(gè)輸入端口的相位差與微環(huán)諧振特性的關(guān)系，證實(shí)該雙輸入微環(huán)諧振器與具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳統(tǒng)單微環(huán)諧振器相比，可實(shí)現(xiàn)大FSR和諧振波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)的可調(diào)諧，為進(jìn)一步研究微環(huán)傳感器測(cè)量范圍的拓寬奠定基礎(chǔ)。
　　為了提高微環(huán)傳感器的測(cè)量范圍，分析了U型反饋微環(huán)諧振器分別在弱耦合和強(qiáng)耦合條件下的傳輸特性，并在此基礎(chǔ)上，研究了U型反饋微環(huán)諧振器整體和局部分別感溫的傳感特性，證實(shí)在弱耦合條件下，當(dāng)反饋波導(dǎo)的長(zhǎng)度是微環(huán)諧振

4、器環(huán)長(zhǎng)的整數(shù)倍并且微環(huán)與U型反饋波導(dǎo)同時(shí)感溫時(shí)，光譜整體發(fā)生規(guī)則性漂移，無(wú)偽?，F(xiàn)象出現(xiàn)，與傳統(tǒng)單微環(huán)諧振結(jié)構(gòu)相比，可提高系統(tǒng)溫度測(cè)量范圍。
　　實(shí)驗(yàn)上，搭建了制作微納光纖與光纖微環(huán)諧振器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成功拉制滿足實(shí)驗(yàn)條件的微納光纖，制作了不同半徑的光纖單微環(huán)諧振器。在此基礎(chǔ)上，制作了光纖U型反饋微環(huán)諧振器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)適用于大FSR微環(huán)諧振器設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)耦合區(qū)域結(jié)構(gòu)，制作了類跑道光纖微環(huán)諧振器，與具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的K

5、not型微環(huán)諧振器相比，類跑道光纖微環(huán)諧振器具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且能夠通過(guò)對(duì)耦合區(qū)長(zhǎng)度的調(diào)整，使系統(tǒng)更加接近臨界耦合狀態(tài)，產(chǎn)生具有更高品質(zhì)因子和消光比的輸出譜線，當(dāng)采用強(qiáng)度檢測(cè)法進(jìn)行傳感時(shí)，具有更大的探測(cè)靈敏度。
　　進(jìn)一步將微環(huán)諧振器與馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x相結(jié)合，研究?jī)煞N不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳輸特性。首先，基于單微環(huán)諧振器與馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x相耦合可以產(chǎn)生非對(duì)稱Fano線型的特性，分析了將U型反饋微環(huán)諧振器耦合成為馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x傳感

6、臂的結(jié)構(gòu)在不同諧振情況下的傳輸特性，得出當(dāng)反饋波導(dǎo)長(zhǎng)度為微環(huán)周長(zhǎng)3倍并且在參考臂不設(shè)置相位調(diào)制器的情況下，利用U型反饋微環(huán)諧振器具有諧振波長(zhǎng)可調(diào)的性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整透射系數(shù)，可在兩端諧振點(diǎn)處產(chǎn)生最陡峭的Fano線型，當(dāng)采用強(qiáng)度檢測(cè)法進(jìn)行傳感時(shí)，具有高探測(cè)靈敏度的傳感特性；其次，將微環(huán)與馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x相串聯(lián)，并利用微納光纖制作了該結(jié)構(gòu)器件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以使干涉特性和諧振特性有效相結(jié)合，在一定程度上提高了譜線深度。
　　本文