基于马赫—曾德尔干涉仪的聚合物波导紫外光传感器研究

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物联网、大数据、云计算等新技术的不断发展给当今信息时代带来了更高效更便利的生活,但对信息的感知需求也提出了更多的要求。作为物联网体系中的感知层,传感器在科学研究、环境监测、医疗、交通、军事等方面具有重要的应用。这其中,紫外光的传感在人类生活与科研的许多领域均有广泛需求,具有重要的研究意义。当前紫外光的传感主要基于无机光敏材料制作的各种光电探测器实现。然而考虑到聚合物波导结构的光学传感器具有加工工艺简单,价格低廉,易集成等优点,因此本文提出并验证了一种基于有机光敏材料的波导型紫外光传感器。论文的主要研究内容如下:(1)首先介绍了当前聚合物波导传感器的研究现状,分析了不同结构的聚合物波导传感器的优劣,在此基础上提出以马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)作为拟研制的传感器结构,并介绍了本论文的研究目标与研究意义。(2)针对选用的光波导材料,利用矩形波导的色散方程,分析了波导单模传输的条件范围,并使用COMSOL软件进一步进行了验证。(3)对器件结构参数进行设计与仿真,提出了在传感器的输入端使用双模Y分支干涉仪(Two-mode Interferometer,TMI)结构进行两臂光功率的合理分配,从而避免输出端两臂光功率相差太大导致光场干涉效果不明显的问题。(4)使用低折射率二氧化硅材料(n=1.4444)作为下包层,商用聚合物Epo Core材料(n=1.5730)为波导芯层,参考臂上包层使用Epo Clad(n=1.5595)材料,传感臂上包层材料为本实验室制备的具有对紫外光动态响应的有机材料,通过两步曝光显影的简易工艺制备了具有对紫外光动态响应的聚合物波导传感器,利用紫外光源(=365 nm)对制作的传感器进行了测试,研究了不同光照条件下MZI传输谱的波长漂移情况。根据实验数据得到器件MZI的灵敏度为0.0423 nm/(min?μw/cm2)。本文结合新型紫外敏感材料,通过简易的曝光显影制备了一种能够传感紫外光强的聚合物波导传感器,在物联网光学感知领域具有重要的潜在应用价值。
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