基於準連續中紅外頻率梳的微納生化感測關鍵器件研究

《基於準連續中紅外頻率梳的微納生化感測關鍵器件研究》是依託天津大學，由張學智擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於準連續中紅外頻率梳的微納生化感測關鍵器件研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張學智
• 依託單位：天津大學

項目摘要

3-5μm波段包含眾多有機大分子基團的特徵波長，是光學感測的理想波段，而矽則是開發集成光學器件的首選材料。本項目針對現有生化檢測設備體積龐大、無法實現微量檢測等缺點，擬將矽在集成光學領域的優良特性同3-5μm中紅外波段在生化領域巨大的套用前景相結合，利用微環諧振腔激發頻率梳，使其在狹縫波導中與待測物相互作用，並用微加熱器調節頻率梳元素頻率，覆蓋此波段所有波長，通過光譜分析實現高靈敏度感測。本項目理論與實驗並重，將降低群速度色散對寬譜頻率梳形成的影響，補償泵浦頻率在諧振腔中的非線性相移失諧，分析光信號在各器件傳輸模式場匹配的機理，利用光學參量振盪，實現頻率梳泵浦用3.5μm波長可調諧光源的激發，探索“懸空波導”製作和泵浦頻率非線性相移補償技術。最終提高光能利用率，激發高穩定性、高解析度、寬光譜範圍光學頻率梳，與狹縫波導結合用於微納生化感測，為開發下一代光電集成，高靈敏度生化感測器件創造條件。

結題摘要

3-5μm波段包含眾多有機大分子基團的特徵波長，是光學感測的理想波段，而矽則是開發集成光學器件的首選材料。本項目利用微環諧振腔激發頻率梳，使其與待測物相互作用，通過光譜分析實現高靈敏度感測。本項目研究了諧振腔結構、泵浦光強度、泵浦光與諧振腔間耦合係數等參量對頻率梳產生的影響，為設計諧振腔結構、最佳化群速度色散提供了依據；為了補償泵浦頻率在諧振腔中的非線性相移失諧，設計並最佳化了耦合雙環諧振腔結構，研究了其中的頻率梳產生機理，分析了諧振腔間耦合強度對各器件中光電場模式匹配效應的影響，補償了非線性相移失諧，並用3.8μm波長雷射做泵浦源激發頻率梳，光譜範圍覆蓋3-6μm波段，為開發下一代光電集成，高靈敏度生化感測器件創造條件；深入研究了在微環諧振腔中四波混頻等光學參量振盪效應的產生機理，推導了四波混頻信號產生的效率與泵浦光間的關係，並製作微環諧振腔加以驗證，實驗發現在低泵浦功率作用下，四波混頻信號頻率產生效率與理論值接近，隨著泵浦功率的提高，測量值逐漸小於理論值；研究了定向耦合器工作過程中的電場模式變化，構造了|Ksinφ|參量以便精確確定諧振波長；設計了光柵輔助型定向耦合器，實現了泵浦信號的特異性耦合；提出了“強度比例法”可用於波長定位，提高測量精度；形成了一套化學、生物檢測方法，並以包覆聚乙烯乙二醇（PEG）的Fe3O4為例進行了感測研究。經過對四波混頻效應的深入研究，採用耦合雙環諧振腔結構，大幅提高了光學頻率梳的激發效率，實現了對化學、生物分子的檢測。總計在國際期刊上發表SCI檢索學術論文6篇，申請國家發明專利9項，其中3項已獲授權。參加IEEE Photonics Conference一次，並做口頭報告。本項目研究成果做為感測型光纖感測系統的一種，參與建設了《浦口-天津大學光纖感測展示體驗園》，向大眾普及微納光學，普及光學感測知識。