摘要
随着经济与科技的不断发展，人们对日常生活水平的要求不断提升，环境和健康安全问题也越来越引起人们的重视。国家提出了力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和这两个重大战略决策，降低碳排放已是刻不容缓。在大气气体中，CO2是主要组成成分之一，同时也是导致温室效应的主要原因之一。由于人类大量使用煤炭、石油等化石燃料并且破坏森林环境，使大气中CO2的占比逐年增高，造成全球变暖和极端气象事件的产生，破坏了海洋和陆地的生态。此外，CO2含量过高对人们的身体健康也有影响，过高浓度的CO2会让人身体不适，甚至导致死亡。在农业生产领域，控制农业大棚中CO2的浓度可以控制农作物的生长，提高农作物产量。因此，研究可以监测环境CO2含量的传感器具有重要应用价值。 常用的气体检测技术，如可调谐激光二极管吸收光谱(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS)和非分散红外(Non-Dispersive Infrared，NDIR)吸收光谱技术，一般使用体积较大的气室，而基于光波导的传感器具有体积小，便于制造，可与激光器和探测器等实现片上集成的优势。本论文设计了两种光波导折射率传感器，并对其中一种进行了制备和性能测试。具体的研究工作如下： 首先，对光学生物传感进行了简述，并详细阐述了光波导传感器的分类，综述了光波导折射率传感器的研究进展。对波导的模式进行了理论分析，并详细描述了马赫—曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)型和亚波长光栅型折射率传感器的传感原理，利用Lumerical平台的Mode solution软件对SU-8矩形光波导和绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)狭缝波导的单模条件进行了仿真，为后续设计打下了基础。 然后，提出了一种双狭缝亚波长光栅结构，与聚合物材料聚六亚甲基双胍(Polyhexamethylene Biguanide，PHMB)结合用于检测CO2。利用FDTD软件对亚波长光栅波导的特征尺寸进行了优化，分析了特征尺寸对亚波长光栅输出光谱的影响，并给出了可参考的制备工艺流程。对传感器的性能进行了分析，计算得到的传感器灵敏度和检测下限分别为9×10-4RIU和6.3ppmv，此外，分析了工艺误差对传感器灵敏度的影响。 接着，对SU-8光波导的制备工艺进行了详细的描述，并给出了每一步工艺在实验过程中遇到的问题和解决方案，最终制备出了形貌良好的SU-8波导。介绍了光波导的性能测试系统，使用功率计和傅里叶红外光谱仪对分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)的性能进行了测试，使用近场光束质量分析仪对锥形透镜光纤的模场进行了测试。 最后，设计了一种非对称MZI光波导结构，使用Rsoft的BeamPROP模式对传感器结构进行了建模，使用Matlab软件对非对称MZI两臂引入的长度差进行了优化，并仿真了余弦结构的传输损耗。使用L-Edit软件设计了传感器的掩膜版，并利用优化好的SU-8制备工艺制备出了形貌良好的传感器，使用红外相机对传感器的各个组成结构进行了通光测试。使用去离子水和无水乙醇验证了传感器的干涉效果。将非对称MZI与PHMB结合，设计了一种可用于检测CO2的折射率传感器，在理论上分析了传感器的灵敏度。 论文的主要创新之处：针对环境CO2监控的需要，设计了两种光波导CO2折射率传感器，理论验证了传感器的性能；优化了SU-8光波导的制备工艺，并制备出了基于SU-8的非对称MZI折射率传感器。
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