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基于硅基微纳结构的光学生物传感器特性研究

【摘要】:相较于传统的电学生物传感器,光学生物传感器具有无损伤探测、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、读取速度快等特点,在药品研制、医学诊断、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用。近年来,基于硅基微纳结构的光学生物传感器因具有尺寸小、制作成本低、灵敏度高和易于大规模集成等优点,受到了研究者的广泛关注。本论文创新性地提出了几种基于硅基微纳结构的光学生物传感器,呈现了其设计方法和传感特性,为实现硅基光学生物传感技术奠定了理论基础,主要工作包括以下几个方面:首先,介绍了硅基微纳结构的光学生物传感器的特点,列举了其中最为常见的几种结构,如光子晶体,回音壁模式微谐振腔和干涉仪结构。简要地介绍了硅基光学谐振腔及其材料特性,并论述了用于研究谐振腔的两种常见的理论模型,即传输矩阵法和有限时域差分法。介绍了回音壁模式微谐振腔中最为常见的一种结构,即微环谐振腔结构,并具体讨论了其两种耦合结构,分析了其传感特性。同时,引入了光子晶体微腔的概念,基于耦合模理论重点介绍了一维光子晶体微腔模型,并运用耦合模理论分析了传输光谱特性,研究了传感性能。其次,设计了一种非均匀光子晶体耦合微环谐振腔的结构,即使用在微环上对称地刻蚀一系列非均匀空气孔所形成的光子晶体和微环腔的耦合,从而引入Autler-Townes(ATs)分裂效应,实现传感性能的提高。重点是运用仿真软件对非均匀光子晶体进行了设计和优化,得到了理想的传输光谱,获得了微环的尺寸。在完成结构设计的基础上,研究了其传感特性,进一步论述了其传感优势。再次,设计了一种基于一维光子晶体腔耦合微环谐振腔的传感器结构。介绍了法诺谐振(Fano Resonances)的概念,在此基础上分析了器件的工作原理。为了得到理想的传输光谱,将器件分解成两个独立的单元,即一维光子晶体结构和微环谐振腔结构。重点对一维光子晶体结构进行了设计,在此基础上进行微环谐振腔设计,对结构进行优化后获得了更为理想的传输特性与传感特性。最后,提出了一种功能单元—均匀光子晶体微环谐振腔结构,运用FDTD算法对其进行了结构设计和特性研究。以此结构为基础,分别实现了慢光效应、游标效应和涡旋光发射,结果表明它是一种相较于传统微环而言功能更为强大的结构单元,在集成光学中有着广阔的应用。

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