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

1、光學傳感技術在理論研究領域和實用生產技術中有著非常廣泛的應用。從光學傳感器近十年的飛速發(fā)展來看,傳感器的傳感特性,也就是探測靈敏度的提高是與光電子科學技術、微電子加工技術的不斷深化,以及對光的物理本質的充分認識有著非常緊密的聯系。近年來,基于回音壁模式的光學諧振結構逐漸成為人們研究的熱點,既加深了對光在諧振結構中傳輸特性的理解,又提供了一種新的解決方案去改善光學生物和化學傳感器的傳感特性。目前,基于回音壁模式光學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、小型化和能夠實時探測的生化傳感器是人們追求的目標。鑒于此,本論文的主要研究內容是提出一種基于回音壁模式的光學諧振結構,它是由雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀組成。通過理論與實驗研究,證明雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀具有高靈敏度的傳感特性。并希望能夠為基于回音壁模式的光學傳感技術改善傳感特性方面的理論和實驗研究及其應用做出一定的貢獻。
　　首先,在單環(huán)諧

3、振結構中分析了三種耦合方式(欠耦合、臨界耦合和過耦合)對光譜輸出特性和色散特性的影響。在雙環(huán)諧振結構中,分別在頻域上和復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為耦合諧振誘導透明和耦合諧振誘導吸收,分別對應于正常色散響應和反常色散響應。特別對復平面上的透過極值點和色散反轉點進行研究。同時研究了當有增益因子作用于環(huán)型諧振結構時,會使諧振結構的色散響應發(fā)生反轉。
　　其次,著重研究了雙環(huán)諧振結構結構參數(衰減系數、透

4、射系數(分束比)和環(huán)長度)對光譜輸出特性和色散特性的影響。通過理論分析和數值模擬證明了環(huán)型諧振結構中兩個透射系數(分束比)的不同匹配可以在諧振頻率處獲得相同的透過率和群延遲,并且群延遲的大小不易受損耗的影響。尤其當兩環(huán)長度比為2:1時,雙環(huán)諧振結構在窄帶凹陷處會產生強烈的色散響應。因此,為下一步研究雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀高靈敏度的傳感特性提供了理論推演和實驗驗證的依據。并且本論文中所設置的結構參數都可以在實驗中實

5、現。
　　再次,分別針對單環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀和雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀,利用固定波長強度探測感知折射率變化的方式,在理論上分析了兩種諧振結構的傳感特性。根據環(huán)型諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀參考臂的相位不同,輸出光譜會出現對稱線型和非對稱線型,分別對應于對稱型環(huán)型諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀和非對稱型環(huán)型諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀。當諧振腔的

6、折射率發(fā)生變化時,將對稱型諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀和非對稱型諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀在固定波長上測得的光強變化進行比較,可得到非對稱型雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀具有更高的靈敏度。通過對雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀結構參數進行優(yōu)化,可增強諧振結構對極微小折射率變化的感知能力,因而使得非對稱型雙環(huán)諧振結構耦合Mach-Zehnder干涉儀具有高靈敏度的傳感特性。

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