CN110018428B - 一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，包括硅衬底、二氧化硅层、直波导、环形波导以及磁光薄膜。通过在磁光薄膜外施加外磁场，改变磁光材料的介电常数，使得所述基于硅基微环谐振器的磁场传感器的输出谐振峰发生漂移，实现磁场测量。具有稳定性高、尺寸微型化、抗电磁干扰能力强、制作成本低的特点。

Description

一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器。
背景技术
磁场传感器在日常生活中应用广泛，如电力系统、航天航空、汽车工业以及医疗生化等领域。同时随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟，微环谐振器也得到了越来越多的关注，具有成本低，体积小，损耗小，机械稳定性高且能与其他波导器件兼容等优点，并在滤波器，传感器，光调制器等领域具有很高的研究和应用价值，成为了最具发展潜力的光电集成器件之一。随着光互联等新兴行业的发展，集成化、微型化、高性能是新时代传感器的发展方向及发展要求。
但是现有的磁场传感器还存在尺寸不够理想、抗电磁干扰能力一般以及灵敏度不尽如人意的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，能够克服现有产品的缺陷，具有稳定性高、尺寸微型化、抗电磁干扰能力强、制作成本低的特点。
第一方面，提供一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，所述磁场传感器包括硅衬底、二氧化硅层、直波导、环形波导以及磁光薄膜，所述二氧化硅层设置于硅衬底上，所述直波导与环形波导均设置于二氧化硅层表面上，所述环形波导内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜。
进一步，所述直波导与环形波导为硅波导；
进一步，直波导的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。
进一步，所述环形波导的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导之间的耦合间距为100nm～300nm。
进一步，所述磁光薄膜的为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜。
第二方面，提供一种如前所述的磁场传感器的制备方法，是采用绝缘体上硅(SOI)材料制作，上下包层材料为硅，中间层为二氧化硅层，通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、IPC深硅刻蚀和去胶处理，在上包层中得到直波导和环形波导，采用脉冲激光沉积技术，在环形波导内侧及上方分别设置一层磁光薄膜。
第三方面，提供一种基于硅基微环谐振器的磁场强度测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底上设置二氧化硅层，在二氧化硅层上设置直波导与环形波导，所述环形波导(4)内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜(5)，直波导(3)的两端用于输入和输出光；
步骤2：输入光为横电TE或者横磁TM偏振态基模，当输入光的偏振态为TE，且外磁场方向垂直波导平面的方向时，磁光薄膜(5)的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；当输入光的偏振态为TM，且外磁场平行于波导平面的方向且为径向时，磁光薄膜的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；
步骤3：利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，得到传感处磁场强度H的大小：
Figure GDA0002772784620000021
上式中，△λ为输出谐振峰漂移量，R为微环半径，m为谐振级数，a为磁光相移与介电张量的虚部的比例系数，λ为输入波长，N为饱和法拉第旋转角与饱和磁场数值的比值，nc为磁光材料的有效折射率，k0是波数，H为待测磁场强度。
进一步，所述直波导与环形波导为硅波导。
进一步，所述直波导的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。
进一步，所述环形波导的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导之间的耦合间距为100nm～300nm。
进一步，所述磁光薄膜的为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜。
本发明的有益效果是：
1.使用纳米级环形谐振器结构，减小了传统磁场传感器的尺寸，推动了硅基片上的光电传感的发展，并对磁场传感器的集成化、智能化、微型化打下了坚实的基础。
2.采用光器件进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。传感器具有较强的抗电磁干扰能力，可适用于电磁环境较为复杂的场合。
3.通过优化传感器结构设计，以及合理选择偏振态模式可以获得更高灵敏度的磁场传感器，可灵活适用于各种场景下。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明中的磁场传感器的结构示意图；
图2为磁场传感测试验装置示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
参见图1，本实施例的磁场传感器的结构示意图，包括硅衬底1、二氧化硅层2、直波导3、环形波导4以及磁光薄膜5。二氧化硅层(2)设置于硅衬底(1)上，直波导(3)与环形波导(4)均设置于二氧化硅层(2)表面上，所述环形波导(4)内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜(5)。
本实施例中，直波导(3)与环形波导(4)为硅波导。直波导(3)的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。
环形波导(4)的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导(3)之间的耦合间距为100nm～300nm。
磁光薄膜(5)的为钇铁石榴石(YIG)磁光薄膜、掺铈石榴石(Ce：YIG)磁光薄膜或掺铋石榴石(Bi：YIG)磁光薄膜。
本实施例中，硅基微环谐振器采用绝缘体上硅(SOI)材料制作，上下包层材料为硅，上包层厚度为220nm，下包层硅衬底厚度为500um，中间层为二氧化硅层，厚度为3um；通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、IPC深硅刻蚀和去胶处理，在上包层中得到直波导、环形波导，直波导与环形波导的宽度为450nm，高度为220nm，环形波导半径为20um，耦合间距100nm。采用脉冲激光沉积技术，在环形波导内侧及上方设置一层厚度为70nm的YIG种子层薄膜，并用同样的方法在YIG种子层薄膜上方设置厚度为150nm的Ce：YIG薄膜，环形波导内侧磁光薄膜的宽度为400nm，环形波导上方磁光薄膜的宽度为450nm。上述各部件的参数选择是经过多次试验得到，具有良好实施效果。
如图2所示，本实施例的磁场传感器试验装置示意图，包括c波段可调谐激光器1、偏振控制器2、磁场传感器3、光电探测器4和末端信号显示及处理系统5。输入光源采用可调谐激光器((New Focus TLB-6728-P)，波长范围1520nm～1570nm，激光器和偏振控制器用过单模光纤连接，光通过偏振控制器后分离出横电TE或者横磁TM偏振态，通过端面耦合或垂直耦合进磁场传感器的输入端，输出端通过单模光纤与光电探测器和末端信号显示及处理系统相连。
进一步，所述磁场传感器的输入光为横电TE或者横磁TM偏振态基模，当当输入光的偏振态为TE时，外磁场通过环外的载流直导线来实现，外磁场方向垂直波导平面的方向，磁光薄膜的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移。当输入光的偏振态为TM时，磁场通过环上方的多匝环形线圈来实现，外磁场平行于波导平面的方向且为径向，磁光薄膜的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移。利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，得到传感处磁场强度H的大小：
Figure GDA0002772784620000041
上式中，△λ为输出谐振峰漂移量，R为微环半径，m为谐振级数，a为磁光相移与介电张量的虚部的比例系数，λ为输入波长，N为饱和法拉第旋转角与饱和磁场数值的比值，nc为磁光材料的有效折射率，k0是波数，H为待测磁场强度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述磁场传感器包括硅衬底(1)、二氧化硅层(2)、直波导(3)、环形波导(4)以及磁光薄膜(5)，所述二氧化硅层(2)设置于硅衬底(1)上，所述直波导(3)与环形波导(4)均设置于二氧化硅层(2)表面上，所述环形波导(4)内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述直波导(3)与环形波导(4)为硅波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述直波导(3)的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述环形波导(4)的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导(3)之间的耦合间距为100nm～300nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其特征在于：所述磁光薄膜(5)为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜。
6.如权利要求1至5任一所述的磁场传感器的制备方法，其特征在于：采用绝缘体上硅(SOI)材料制作，上下包层材料为硅，中间层为二氧化硅层，通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、IPC深硅刻蚀和去胶处理，在上包层中得到直波导和环形波导，采用脉冲激光沉积技术，在环形波导内侧及上方分别设置一层磁光薄膜。
7.一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器的磁场强度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底上设置二氧化硅层，在二氧化硅层上设置直波导与环形波导，所述环形波导(4)内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜(5)，直波导(3)的两端用于输入和输出光；
步骤2：输入光为横电TE或者横磁TM偏振态基模，当输入光的偏振态为TE，且外磁场方向垂直波导平面的方向时，磁光薄膜(5)的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；当输入光的偏振态为TM，且外磁场平行于波导平面的方向且为径向时，磁光薄膜的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；
步骤3：利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，得到传感处磁场强度H的大小：
Figure FDA0002772784610000011
上式中，△λ为输出谐振峰漂移量，R为微环半径，m为谐振级数，a为磁光相移与介电张量的虚部的比例系数，λ为输入波长，N为饱和法拉第旋转角与饱和磁场数值的比值，nc为磁光材料的有效折射率，k0是波数，H为待测磁场强度。
8.一根据权利要求6所述的一种磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述直波导的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。
9.根据权利要求6所述的一种磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述环形波导的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导之间的耦合间距为100nm～300nm。
10.根据权利要求6所述的一种磁场传感器的制备方法，其特征在于：所述磁光薄膜为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜。
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