基于干涉结构的功能集成光波导芯片及其传感特性研究

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1、分类号：TN256单位代码：10183研究生学号：2015511042密级：公开吉林大学博士学位论文（理学博士）基于干涉结构的功能集成光波导芯片及其传感特性研究ResearchonFunctionIntegratedOpticalWaveguideChipandSensingCharacteristicsBasedonInterferometerStructure作者姓名：郑洋专业：微电子学与固体电子学研究方向：集成光路器件指导教师：张大明教授培养单位：电子科学与工程学院2018年5月基于干涉结构的功能集成光波导芯片及其传感特性研究R

2、esearchonFunctionIntegratedOpticalWaveguideChipandSensingCharacteristicsBasedonInterferometerStructure作者姓名：郑洋专业名称：微电子学与固体电子学指导教师：张大明教授学位类别：理学博士论文答辩日期：2018年5月23日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位盲审专家正高级中国科学院上海技术物研所主席谢志元研究员中国科学院长春应化所盲审专家副高级华中科技大学委员秦莉研究员中国科学院长春光机所盲审专

3、家正高级电子科学研究院杨小天教授东北师范大学马春生教授吉林大学宋俊峰教授吉林大学王菲教授吉林大学未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本

4、文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：□硕士■博士学科专业：微电子

5、学与固体电子学论文题目：基于干涉结构的功能集成光波导芯片及其传感特性研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：作者联系电话：摘要光开关、光集成器件广泛应用于日益迅速增长的光通信系统中。包含光放大器、光开光等波导器件的有源集成光波导芯片是光互联网络中可重构型光交叉复用模块的主要组成部分，在光通信、光传感领域中受到了广泛关注。在过去的几十年中，光学传感技术在环境和工业监测以及医疗保健（例如疾病诊断和生物医学）应用领域取得了重大进展。集成光波导生物传感器因为其超小型尺寸，高灵敏度，无标签检测，样品消耗量低，抗电磁干扰，制造过程

6、与CMOS技术兼容可实现低成本的大规模制造等优点而被广泛研究，同时也可以与其他设备如光源，检测器和微流控单元集成在同一芯片上实现低成本、可便携、用于现场测试应用的芯片实验室模块。基于这种研究方向和目的，本论文设计了有源集成型光波导芯片，对制备器件的材料特性以及器件结构设计流程分别进行了介绍，并对最终设计的折射率传感型器件的传感特性进行了分析与研究。1．基于光波导模式理论，对非对称三层平板波导的特征方程进行了分析，利用有效折射率法对矩形波导导模特征方程进行了推导，计算了脊型波导结构模式，分析传感型波导器件结构，介绍了光波导器件实现传感功

7、能的工作原理，即消逝场原理。阐述了热光效应的工作形式及其原理，对马赫曾德尔干涉(MZI)型波导器件的结构进行了介绍，分析了光开关器件的工作原理。对基于干涉结构的波导器件进行了分析，介绍了基于多模干涉(MMI)结构的光波导器件的工作方式，并对其实现折射率传感功能的工作原理进行了阐述。2．提出了新型基于介质加载表面等离子体激元极化波导(DLSPPW)结构的全聚合物热光开关阵列器件。利用光学仿真软件对器件的设计尺寸进行了优化，低损耗氟化光敏聚合物(FSU-8/FBPA-PCEP)和有机-无机接枝改性PMMA材料被分别用作聚合物波导的芯层和包

8、层。对材料的制备流程进行了详细的介绍，表征了材料的光学和热学特性，测得了材料较低的吸收损耗和优良的热稳定性。通I过截断法测得4µm宽的DLSPPW的传输损耗为0.55dB/cm。器件的插入损耗约为4.5dB。开关器件在施