CN109001303A - 基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器 - Google Patents

基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，包括可调谐激光器、波导集成型一维光子晶体微腔、光电探测器、超声换能器，可调谐激光器向波导集成型一维光子晶体微腔发激光，超声换能器向波导集成型一维光子晶体微腔施加超声波信号，光电探测器探测波导集成型一维光子晶体微腔的输出光强度。本发明采用波导集成型光学微腔实现超声波信号的检测，解决了传统基于压电技术的超声波探测器在高频信号检测下的困难，同时这种光声检测技术具有高集成度、极小的尺寸、廉价等优势。

Description

基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器
技术领域
本发明属于光声探测领域，特别涉及一种基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器。
背景技术
超声波探测器在多个领域如生物医学成像、基础科学研究、药物开发、食品安全、环境监测等扮演着重要的角色。目前，主流的商用超声波探测器是基于压电技术的，通过压电材料将超声波产生的应力信号转换成电信号进行超声波探测。这种探测器在低频领域对于超声波的检测具有优良的性能，但是对于频率超过20MHz的高频超声波信号，基于压电技术的超声波探测器则面临着如下的问题：器件尺寸过大、高噪声和高频传输线所带来的负载阻抗使得信号从压电元件到接收器的传输比较困难等。
为了解决压电超声探测器在高频超声波探测中面临的问题，基于标准具、布拉格光栅波导、微型环芯腔和微环谐振器的光学超声波探测技术被逐渐提出来。这些探测器具有较高的灵敏度、较大的信噪比和不错的元件集成度，也免受压电超声波探测器因射频串扰而面临的高频局限问题。然而需要注意的是，尽管这些器件在一定程度上解决了器件小型化的问题，但其尺寸也都在60μm×60μm以上，当应用于光声成像阵列时，其所能检测的超声波频率最高也仅为25MHz。
波导集成型一维光子晶体微腔具有较高的光学品质因数(Q值)、极小的几何尺寸、易与片上光波导进行耦合等优势，因此极适合作为超声波探测器的载体。空气模式的一维光子晶体微腔其光场分布在低折射率材料中，考虑到聚合物材料如SU8、PMMA等具有较低的杨氏模量和较高的弹光系数，因此基于硅或者氮化硅的空气模式一维光子晶体微腔可以通过覆盖聚合物材料来增强光声作用，进而实现较高灵敏度的超声波探测器。
综上，考虑利用波导集成型一维光子晶体微腔来实现超声波信号的检测，可以实现尺寸极小(约0.75μm×13.3μm)、高集成度的超声波探测器。在克服传统压电超声探测器的高频局限问题的前提下，具有廉价、高灵敏度、高集成度等优势。
发明内容
1、发明目的。
本发明针对现有技术的局限性，提供一种基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，该探测器将超声波信号施加在一维光子晶体微腔上，通过应力对微腔的几何形状的改变以及弹光效应对材料的光学参数的影响使微腔的谐振峰发生漂移，在固定可调谐激光器的工作波长于微腔谐振波长附近的情况下，光电探测器所检测到的输出光强度与超声波压强在一定范围内呈线性关系，可以据此实现超声波信号的检测。
2、本发明所采用的技术方案。
基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，包括可调谐激光器、波导集成型一维光子晶体微腔、光电探测器、超声换能器，
可调谐激光器向波导集成型一维光子晶体微腔发激光，超声换能器向波导集成型一维光子晶体微腔施加超声波信号，光电探测器探测波导集成型一维光子晶体微腔的输出光强度。
更进一步具体实施方式中，所述的波导集成型一维光子晶体微腔其一端为输入波导，另一端为输出波导；中间部分为光子晶体微腔区波导，光子晶体微腔区波导内部设置小孔。
更进一步具体实施方式中所述的小孔均匀排列。
更进一步具体实施方式中所述的波导集成型一维光子晶体微腔的波导芯层采用硅或氮化硅材料，上包层为聚合物材料和下包层为二氧化硅材料。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)、本发明中波导集成型一维光子晶体微腔Q值较高，器件尺寸极小，易与波导耦合，集成度极高。采用片上集成技术实现，与现有CMOS技术兼容，具有结构紧凑，性能优越稳定，价格低廉的优势。
(2)、本发明系统尺寸极小、空间利用率更高超声波探测器可以实现频率在100MHz以上的超声波信号的检测，克服了传统压电超声波探测器的高频局限问题。
(3)、本发明中的波导集成型一维光子晶体微腔空间利用率极高，密集阵列比较容易实现，在光声成像系统中有极佳的应用前景。
(4)、本发明相较于现有传感器，具有、可以实现更高频(100MHz以上)超声波信号的检测等优点。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是波导集成型一维光子晶体微腔的俯视图。
图3是波导集成型一维光子晶体微腔的波导部分的剖视图。
图4是一维光子晶体微腔的透过率曲线图。
图5是一维超声波压强与光电探测器3所检测的输出光强度(相对强度)的关系曲线。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例基于波导集成型一维光子晶体微腔，包括可调谐激光器1、波导集成型一维光子晶体微腔2、光电探测器3和超声换能器4。
所述基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，超声波信号通过水或者超声波耦合剂施加在一维光子晶体微腔上，一维光子晶体微腔应与光纤进行封装固定，两者之间的耦合效率不应受到超声波信号所带来的机械振动的影响。
如图2和图3所示，本实施例所使用的波导集成型一维光子晶体微腔2，包括输入波导2-1和输出波导2-4，光子晶体微腔区波导2-2，小孔2-3，其中，波导芯层采用硅或氮化硅材料2-5，上下包层分别采用聚合物材料2-6和二氧化硅材料2-7。
本实施例所述超声波探测器采用如下的探测方法：基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，包括可调谐激光器、超声波换能器、波导集成型一维光子晶体微腔和光电探测器。其中可调谐激光器工作波长位于一维光子晶体微腔的谐振波长附近，在该波长处，微腔的透过率曲线具有最大的斜率。可调谐激光器输出的单频光信号输入一维光子晶体微腔，微腔受到超声波换能器所产生的超声波信号的调制，超声波信号所产生的应力使微腔的几何形状发生改变，同时由于弹光效应而使材料的折射率发生变化，进而使得微腔的谐振峰发生漂移。因此，光电探测器所接收到的光强度信号即受到超声波压强的调制，在一定范围(主要决定于一维光子晶体微腔的Q值和光声作用强度，典型值为0.5MPa左右)内，两者呈线性关系，据此可以实现超声波信号的检测。所述波导集成型一维光子晶体微腔应该是空气模式的，这种微腔的光场主要分布在低折射率的材料中，在以硅或氮化硅等材料构成的一维光子晶体微腔上覆盖聚合物材料，光声作用主要发生在具有低杨氏模量、高弹光系数的聚合物中。
所述的基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器探测方法包括以下步骤：
(1)将集成波导型一维光子晶体微腔与光纤封装固定，然后按照图1连接可调谐激光器1、一维光子晶体微腔2和光电探测器3，测试一维光子晶体微腔2在未施加超声波信号时的透过率曲线；当设计一维光子晶体微腔的参数如下：硅材料2-5厚度为220nm，聚合物材料2-6选择为SU8，厚度为1.52μm，微腔的周期为380nm，其中所有小孔2-3的半径均为120nm，小孔2-3总数为35个，微腔波导部分由中间向两端按抛物线方程形式从750nm渐变至550nm。透过率曲线的测试结果如图4所示，该曲线显示，该一维光子晶体微腔的谐振波长为1543.9644nm(194.3050THz)，品质因数为2.23×105。
(2)根据一维光子晶体微腔2的透过率曲线确定可调谐激光器1的工作波长，在该波长处，一维光子晶体微腔2的透过率曲线具有最大的斜率；从图4可以看出，该一维光子晶体微腔的透过率曲线在194.3040THz-194.3050THz区间内近似为线性，可以设定可调谐激光器1的工作波长为1543.9692nm(194.3044THz)。
(3)将超声波换能器4与一维光子晶体微腔2按照图1所示连接，通过水或者超声波耦合剂施加超声波信号于一维光子晶体微腔上；
(4)扫描超声波信号压强的大小，观测光电探测器3所测得的输出光强度与超声波信号压强大小的关系，根据两者的线性关系实现超声波信号的探测。设定可调谐激光器1输出功率为1mW，图5是测试所得超声波压强与光电探测器3所检测的输出光强度(相对强度)的关系曲线，可见在超声波压强处于0-0.2MPa范围内，该曲线具有良好的线性关系。
本实施例中，可调谐激光器1、光电探测器3、超声换能器4均为现有的成熟产品，而所需的集成波导型一维光子晶体微腔可以采用先进的商业化CMOS工艺制作，利用这些现有或可以轻易实现的产品具有的功能，构建的本实施例所述系统，能够实现高灵敏度、高频率超声波信号的探测，较易实现密集阵列型探测器并应用于光声成像系统，具有较大的推广应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、波导集成型一维光子晶体微腔(2)、光电探测器(3)、超声换能器(4)，
可调谐激光器(1)向波导集成型一维光子晶体微腔(2)发激光，超声换能器(4)向波导集成型一维光子晶体微腔(2)施加超声波信号，光电探测器(3)探测波导集成型一维光子晶体微腔(2)的输出光强度。
2.根据权利要求1所述的基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，其特征在于：所述的波导集成型一维光子晶体微腔(2)其一端为输入波导(2-1)，另一端为输出波导(2-4)；中间部分为光子晶体微腔区波导(2-2)，光子晶体微腔区波导(2-2)内部设置小孔(2-3)。
3.根据权利要求2所述的基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，其特征在于：所述的小孔均匀排列。
4.根据权利要求1或2所述的基于波导集成型一维光子晶体微腔的超声波探测器，其特征在于：所述的波导集成型一维光子晶体微腔(2)的波导芯层(2-5)采用硅或氮化硅材料，上包层为聚合物材料(2-6)和下包层为二氧化硅材料(2-7)。
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