基于有机光子晶体逻辑器件的生物探测器的研究

论文摘要

经济发展和技术进步为人类带来诸多方便的同时,也对人类的生存环境造成一定的负面影响,而造成这些负面影响的物质多数都是微量的。在环境治理与保护中,我们需要对这些微量物质进行定性或定量的检测,因此研制出灵敏、准确、易读的生物探测装置十分必要。研究表明,用光合细菌分泌物等生物探针修饰过的电极与待测溶液接触时,生物识别过程中的电信号通过探针收集和放大,形成能被识别测量的生物电信号。另外有机半导体材料具有较强的电光效应。由此,本论文将以光子晶体为平台,结合原位诱发光合细菌分泌物在识别硫离子时产生的生物电信号和有机半导体的普克尔斯(Pockels)电光效应,通过多波导中传输信号干涉,实现各种形式的逻辑计算,为实现生物电的测量提供了 一类快捷高效的检测方法。基于有机光子晶体逻辑功能的生物探测器包含被生物探针修饰的电极、电信号放大装置、有机光子晶体逻辑器件以及信号检测装置构成。以多模干涉结构(MMI)为基础,我们首先设计了可应用于硫离子浓度检测的2×2通道的有机光子晶体光开关。该器件的工作波长为1.55 μm。我们通过分析路径折射率变化及电光系数对输出性能的影响,确定了光子晶体结构的基本参数,并优化了光子晶体波导性能。在此基础上,通过在某一输入波导端上加载不同硫离子浓度产生的生物电信号,利用波导耦合效应、自映像效应和普克尔斯电光效应,在多模干涉区实现了光束干涉,进而获得输出波导端的光开关控制。该开关器件传输效率达到80%,开关对比度达到8.71 dB。在有机光子晶体光开关的基础上,我们设计了 2×3通道有机光子晶体逻辑器件,实现了 OR、XOR、XNOR等逻辑运算功能。该器件中多模干涉区的长宽分别为58μm与6.5μm,整体输出效率超过70%,且逻辑1与逻辑0输出功率对比度均在10 dB以上。通过分析输出波导工作状态与生物电信号之间的关系,我们实现了对硫离子浓度变化的监测。本文研究结果在环境污染物探测以及提高检测精度和速度、减小能量损耗方面具有参考价值和实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光子晶体简介
•   1.3 基于生物探测的光子晶体器件的研究现状
•   1.4 光子晶体全光逻辑器件的研究现状
•   1.5 研究问题与研究思路
• 第二章 有机聚合物光子晶体全光逻辑器件的物理基础
•   2.1 光子晶体的分析方法-时域有限差分法
•   2.2 基本逻辑运算
•   2.3 有机聚合物的电光效应
• 第三章 基于有机光子晶体全光开关的硫离子生物检测器的设计
•   3.1 生物识别中电信号的产生
•   3.2 应用于生物检测的有机光子晶体关开关的设计
•     3.2.1 作为生物探测器的光子晶体光开关基本参数的确定
•     3.2.2 光子晶体波导设计
•     3.2.3 多模干涉区的设计
•   3.3 基于有机光子晶体光开关的硫离子生物探测器
•     3.3.1 工作原理
•     3.3.2 基于电光效应的光开关
•     3.3.3 硫离子浓度的检测
•   3.4 应用于生物检测的正方晶格光开关
•     3.4.1 应用于生物检测的正方晶格光开关的设计
•     3.4.2 应用于生物检测的正方晶格光开关的功能
•   3.5 小结
• 第四章 应用于生物监测的有机光子晶体逻辑器件
•   4.1 应用于生物监测的有机光子晶体逻辑器件的设计
•   4.2 有机光子晶体逻辑门
•     4.2.1 工作原理
•     4.2.2 生物监测功能的实现
•     4.2.3 异或门（XOR）
•     4.2.4 同或门（XNOR）
•     4.2.5 或门（OR）
•   4.3 小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录与参与项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王晓青

导师: 宋敏

关键词: 有机光子晶体,电光效应,全光逻辑器件,生化探测

来源: 中央民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学,化学,环境科学与资源利用

单位: 中央民族大学

分类号: X85;O734;O657.1

DOI: 10.27667/d.cnki.gzymu.2019.000016

总页数: 65

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