为了设计新型的加速度传感器, 将共振光隧穿结构应用于传感元件, 利用COMSOL软件对传感器的频率响应、灵敏度性能等关键要素进行了模拟仿真分析, 搭建了实验平台, 验证了共振光隧穿原理。结果表明, 基于共振光隧穿效应结构的加速传感器在100Hz~3000Hz范围内、加速度为500m/s2的情况下, 灵敏度可达到6.7dB/g。该传感器小巧轻便、结构简单, 且具有较高的灵敏度, 这为光学传感器的研究提供了新的方法和思路, 具有广阔的应用前景。

为了更好地测量液体折射率, 提出了一种基于表面等离子共振波长测量液体折射率的方法,采用Kretschman 结构建立了模型, 进行了软件仿真, 并搭建实验平台进行了实验研究, 分析了实验和理论之间的误差来源。结果表明,当折射率在1.33RIU~1.36RIU的范围内变化时, 表面等离子共振吸收峰随液体样品折射率的变化产生了频移, 其灵敏度可达4808.94nm/RIU。该方法可以准确测量液体的折射率, 且系统结构简单, 具有较高的灵敏度。

SOI纳米光波导表面粗糙度会显著增加波导散射损耗, 降低表面粗糙度是其在许多方面应用中亟待解决的关键问题之一。首先介绍了表面粗糙度概念, 总结了表面散射损耗理论方面的研究进展。随后回顾了多种SOI纳米光波导表面粗糙度测量方法, 以及在表面形貌表征中存在的问题。此外, 还对几种波导表面光滑工艺进行介绍, 并结合具体的工作对光波导表面粗糙度各方面研究进展进行了总结。

低损耗高Q值硅基纳米光波导谐振腔,是高灵敏探测器、生物传感器、光通讯器件等发展的关键。而波导表面粗糙度会造成较大的光传输损耗,是制约硅基纳米光波导谐振腔Q值提高的一个重要因素。降低硅基纳米光波导表面粗糙度已成为光波导器件发展的一个关键问题,氢退火工艺是当前改善波导表面粗糙度的一种关键技术。基于表面硅氢键流密度理论,利用Materials Studio软件模拟氢退火光滑化处理过程中硅与氢之间的反应,搜索反应过渡态,探究硅氢键、温度等因素对反应的影响。结果表明: 在高温氢退火氛围下,波导表面硅原子与氢原子之间能够形成硅氢键,且温度越高,在硅氢键作用下表面硅原子迁移速率越快,表面由高能态向低能态过渡,表面光滑化效果越明显。

使用时域有限差分(FDTD)方法研究了基于SOI微环谐振腔结构的条形和脊型波导，探究了微环谐振腔应用于生物传感的理论。分析了结构的几何尺寸对生物传感器灵敏度的影响。通过分析条形和脊型波导的模场分布图，解释了条形波导的灵敏度明显高于脊型波导的原因，且随着波导宽度的增加其灵敏度系数的变化遵循相同的趋势。并且，当条形波导取得最高的灵敏度系数时，其横截面是方形的，然而脊型波导的最大灵敏度值对应的却是不完全对称的几何结构。当条形波导的横截面全对称时，灵敏度达到最大值172.3 nm/RIU。

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低, 对准难度大的问题, 提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性, 结合光纤准直器的准直原理, 系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响, 得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进, 增加了后反射器、增透膜和底层介质膜, 并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数, 得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%, 3 dB带宽达到65 nm。