石英毛细管椭球微气泡模式特性及传感技术

利用有限元数值分析方法研究了椭球状石英毛细管微气泡回音壁模式特性及其折射率传感性能.计算分析了不同半径与内壁厚度情况下空芯和液芯椭球形微气泡模式特征,包括品质因数、有效折射率和能量比等,并探讨了微气泡在高灵敏度和高分辨率折射率传感方面的应用潜能.研究结果表明微气泡膨胀至350μm,且内壁厚度为1μm时分辨率和灵敏度最佳;在该厚度范围附近,微气泡分辨率不会因为半径尺寸的改变而发生太大变化;二阶径向模具有较高品质因数,其灵敏度略高于一阶基模,且使用二阶径向模可降低在制造时对结构壁厚控制精度的要求,可用于实际传感应用中.研究结果对微气泡的进一步实验研制具有理论参考价值.     

准晶体结构光纤表面等离子体共振传感器特性研究

光纤表面等离子体共振传感器在高灵敏度传感和在线实时监测等领域具有重要意义. 设计了一种六重准晶体结构环形通道光纤表面等离子体共振传感器, 基于有限元法对该传感器的传感特性进行了数值模拟. 研究了光纤各结构参量对传感器特性的影响规律. 研究结果表明: 待测液折射率的有效监测范围为1.25–1.331, 最高灵敏度可达26400 nm·RIU^-1, 传感器具有损耗谱杂峰少、探测范围广、灵敏度高、设计灵活性高和光路可弯曲等特点, 在生化检测、公共安全、环境污染监测以及高灵敏度传感等领域具有广泛的应用前景.     

基于耦合T型空腔的多重法诺共振现象

提出由T型空腔和挡板组成的两种金属-电介质-金属(MIM)波导结构,分别为:正T型空腔结构和倒T型空腔结构,并应用有限元法系统地研究了该结构的透射特性.对于正T型空腔结构,仿真结果出现了双重法诺共振现象,并且共振波长可以通过改变T型空腔长度和高度进行调节.该结构有助于设计成敏感度达到1 620nm/RIU、品质因数为5.4×10~4的纳米传感器.对于倒置T型空腔,在波导中产生了多重法诺共振现象,其敏感度可达1 560nm/RIU,品质因数为9.37×104.该结构有望在光学集成回路,特别是纳米传感器、光束分路器方面具有广泛应用.     

基于游标效应的高灵敏度光纤耦合器折射率传感器

为解决传统光纤折射率传感器灵敏度较低的问题,提出一种基于游标效应增强的拉锥光纤耦合器折射率传感器。利用拉锥光纤耦合器的双折射效应,在耦合器中形成x偏振态和y偏振态两路模式(奇模与偶模)干涉,两路略有差别的干涉通过叠加,形成游标效应。通过理论分析和数值计算,发现当拉锥耦合器的宽度为1.6～3.2μm时,奇模与偶模的群双折射系数差值会出现零点,折射率传感器的灵敏度会得到显著增强。在理论分析和数值仿真的基础上,实验研究了宽度为1.6μm的光纤耦合器的折射率传感性能,并在折射率1.333附近获得了30020.0nm/RIU和-34402.5nm/RIU的超高灵敏度。该传感器制作简单、结构紧凑且成本较低,在高灵敏度生物医学检测和分析化学领域具有重要应用前景。     

基于耦合开口方环共振空腔的可控法诺共振研究

基于表面等离子激元理论与金属-介质-金属波导结构提出一个由开口方环共振空腔、挡板及MIM波导组成的波导结构,并使用有限元方法系统地研究了该结构的透射特性.仿真计算结果表明:该结构可以产生法诺共振现象,其共振波长可以通过改变开口方环空腔的长度及开口大小进行调节,该结构敏感度可达1 600nm/RIU,品质因数为1.31×10~5.此外,通过调整方环共振空腔上开口的位置,在波导中产生了双重法诺共振现象,其敏感度可达1 700nm/RIU,品质因数为8.3×10~4.该结构有望在光学集成回路,尤其是纳米生物传感器方面得到比较广泛的应用.     

场板结终端对金刚石SBD内部电场分布及击穿特性的影响

建立了场板结终端对金刚石肖特基势垒二极管(SBD)的数值模拟模型,采用Silvaco软件中的器件仿真工具ATLAS模拟了场板长度L、绝缘层厚度TOX、衬底掺杂浓度NB、场板结构形状对器件内部电场分布以及击穿电压的影响,并对结果进行了物理分析和解释。结果表明:当TOX=0.4μm、NB=1015cm-3、L在0~0.2μm范围内时,击穿电压随着L的增加而增加;L0.2μm后,击穿电压开始下降。当L=0.2μm、NB=1015cm-3、TOX在0.1~0.4μm范围内时,击穿电压随着TOX的增加而增加;TOX0.4μm后,击穿电压开始下降。当L=0.2μm、TOX=0.4μm、NB=1015cm-3时,器件的击穿电压达到最大的1 873 k V。与普通场板结构相比,采用台阶场板可以更加有效地提高器件的击穿电压。     

棱镜波导结构的古斯-汉欣位移模拟（英文）

模拟并分析了波长为633 nm的偏振光通过Kretschmann-Raether微米级棱镜波导结构时的古斯-汉欣位移.在金膜厚度为45 nm的条件下,当入射角为44.1°时,利用稳态相位理论,得到的最大柬位移为+120μm;当入射角为44.1°时,利用COMSOL Multiphysics5.1软件中的波动光学模块,得到的最大束位移为+3.37μm.在共振角附近,COMSOL Multiphysics5.1模拟软件与稳态相位理论均得到正的古斯-汉欣位移,但是COMSOL Multiphysics5.1软件模拟的结果远小于稳态相位理论仿真的结果.该研究对设计基于古斯-汉欣位移测量的高灵敏度传感器具有指导意义.     

高探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于标准0.35μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构,同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能;研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响;对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明:所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10μm,扩散n阱保护环宽度为1μm时,雪崩击穿电压为13.2 V,3 dB带宽可达1.6 GHz;过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%;在波长500~800 nm之间器件响应度较好,波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.     

基于定向耦合的光子晶体光纤高灵敏度磁场和温度传感器

设计了一种新型光子晶体光纤(PCF)磁场和温度传感结构.在光子晶体光纤包层的一个空气孔中填充磁流体,形成定向耦合结构,检测结构的磁场和温度变化.利用全矢量有限元法(FEM)对该传感器特性进行了仿真研究.结果表明,该传感结构可以实现磁场范围为100~250Oe(1Oe=79.58A/m),温度范围为10~60℃的检测,在该范围内磁场和温度的灵敏度最高可达1.10nm/Oe和-3.86nm/℃.     

基于流体模型的碳纳米管电离式传感器的结构优化方法

与常规电离式传感器相比,碳纳米管三电极电离式气体传感器具有体积小、工作电压低的优势,对智能电网、泛在物联网的发展具有重要作用,但存在输出电流低、灵敏度低的缺点,需要从结构上对其进行优化.本文基于汤生放电原理,采用COMSOL Multiphysics多物理场直接耦合分析软件,建立了传感器二维等离子体放电流体仿真模型.研究得到了8种不同结构的传感器,在氮气背景中的静电场分布及传感器收集极平均电流密度.通过对比不同结构参数下的电场强度及电流密度值,得到了最优传感器结构.结合仿真结果,制备了8种优化结构的传感器进行实验验证,最优传感器结构具有最高的收集电流密度,与仿真结果一致,证明了本文提出的结构优化方法的可行性.基于最优结构,制作了100和120μm极间距的传感器,获得了NO/SO_2两组分混合气体的敏感特性.与其他技术相比,最优传感器的灵敏度比现有技术高1—2个数量级,展示了三电极电离式碳纳米管传感器的应用潜力.