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基于聚合物集成光波导的MZI传感芯片的研究

徐静

  相对于温度传感(热光调制器)和电压传感(电光调制器)应用,将聚合物作为无源波导材料用于集成光波导化学传感(倏逝波相位传感)是个新的尝试。与其它光波导材料相比,聚合物降低了材料及器件的制备成本;对聚合物敏感层具有相对更好的固定作用;有利于在传感器上同时集成调制器(电光、热光)进行相位微调。目前,降低器件成本已成为加速集成光波导化学传感器发展和实用化的迫切需要,研究聚合物光波导化学传感器具有重大意义。基于MZI(Mach-Zehnder Interferometer)传感结构的巨大发展潜力,ARROW(Antiresonant Reflecting Optical Waveguide)波导的突出优点以及折射仪应用的广阔前景,本文对聚合物ARROW结构的MZI折射率测量芯片进行了研究。MZI两臂光路问的相位差对于MZI传感器至关重要,因此它们各自的相位值必须通过精确的模式分析来确定。论文首先对泄漏模式分析方法进行了归纳和实例比较,将Kumar改进方法和非均匀有限差分法推广运用于泄漏损耗的计算中,并利用这些方法对聚合物脊形ARROW结构进行了完整的模式分析,详尽描述了泄漏损耗、灵敏度、与光纤的耦合损耗、解耦合距离和最小弯曲半径的计算方法和分析结论,给出了波导结构的设计步骤和优化结果;然后针对MZI原理上存在的量程和灵敏度相互制约的问题,采用双MZI结构实现双精度测量,对分束器结构进行优化,根据量程以及工作点位置要求对ARROW波导高折射率覆盖层厚度和参考折射率进行了选择确定,给出了设计步骤和计算曲线;之后研究了含氟聚酰亚胺材料的制备、成膜工艺,解决了气泡、开裂、表面粗糙等薄膜表面质量问题,制备出了厚度和折射率均匀的聚酰亚胺薄膜,提供了全面的实验分析结论;最后进行了含氟聚酰亚胺脊形ARROW结构MZI传感芯片的实验制作,获得了有关含氟聚酰亚胺光波导器件制作的多种工艺——剥离法制备金属掩膜、ICP刻蚀工艺和Si表面增粘处理工艺等的实验研究结论。……   
[关键词]:传感器;含氟聚酰亚胺;泄漏模式分析;ARROW;MZI
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2004年