CN112557771A

CN112557771A - 一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器

Info

Publication number: CN112557771A
Application number: CN202011389242.6A
Authority: CN
Inventors: 庄池杰; 曾嵘; 马昕雨
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112557771B

Abstract

本发明涉及一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，所述电场传感器自下而上依次设有衬底、缓冲层和一维光子晶体；所述一维光子晶体由脊波导和在所述脊波导一个维度上呈周期性排列的微纳结构组成，所述脊波导为TiO₂‑LN‑TiO₂三层结构；在一维光子晶体的两侧分别设有天线和电极，所述天线和电极相连，其中所述天线用于感应外界的电场，所述电极将天线感应到的电场加载到一维光子晶体上。本发明所提供的电场传感器体积小、灵敏度高、动态范围大，且避免了温度变化对传感器测量准确性的影响。

Description

一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器

技术领域

本发明涉及一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，属于电场传感器技术领域。

背景技术

电场测量在电力系统和设备的电场检测、医疗器械、防御系统的弹道控制、电磁兼容、微波集成电路测试等科学研究和工程技术领域应用广泛。具有线性电光效应的晶体材料，如铌酸锂晶体、偏硼酸钡(β-BBO)晶体、锗酸铋(BGO)晶体，折射率的变化与外加电场成正比，利用折射率随外加电场的变化可以实现相位调制、强度调制和偏振调制。利用晶体材料电光效应制作的电场传感器，由于其无源、稳定性高、对原场影响小、频带宽等优势，成为制作电场传感器的最主要原理之一。

随着材料加工工艺的发展，集成电场传感器由于其体积更小、稳定性更高等特点，逐渐取代了分立式电场传感器，越来越多的集成电光电场传感器涌现出来。集成电光电场传感器可分为非谐振式和谐振式两种，非谐振式电场传感器可分为马赫曾德干涉结构、方向耦合器结构和共路干涉结构，谐振式电场传感器可分为微环结构、布拉格光栅结构、光子晶体结构等。在上述集成电光电场传感器中，非谐振式电场传感器由于电场和光场的作用时间短，通常需要制作长度较长的光波导，存在尺寸大、灵敏度低等弊端，基于微环、布拉格光栅结构的谐振式电场传感器由于谐振峰的自由光谱范围小，具有动态范围小的弊端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何避免温度变化对传感器测量准确性的影响，如何增大电场传感器电场、光场作用时间及如何增大谐振峰之间的光谱范围，提供一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，以提高电场传感器的温度稳定性，减小传感器的体积，提高灵敏度，增大动态范围。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，所述电场传感器自下而上依次设有衬底、缓冲层和一维光子晶体；所述一维光子晶体由脊波导和在所述脊波导一个维度上呈周期性排列的微纳结构组成，所述脊波导为TiO₂-LN-TiO₂三层结构；在一维光子晶体的两侧分别设有天线和电极，所述天线和电极相连，其中所述天线用于感应外界的电场，所述电极将天线感应到的电场加载到一维光子晶体上。

进一步的，所述电场传感器为轴对称结构。

进一步的，所述脊波导包括底部二氧化钛层、铌酸锂薄膜和顶部二氧化钛层组成；其中所述底部二氧化钛层呈平面状，平铺在所述缓冲层的上方，所述铌酸锂薄膜平铺在所述底部二氧化钛层上方，且所述铌酸锂薄膜呈脊形，顶部二氧化钛层设置在铌酸锂薄膜的脊上方。

进一步的，所述呈周期性排列的微纳结构为空气孔，所述空气孔贯穿脊波导的三层结构。

进一步的，所述空气孔呈圆形、椭圆形或方形。

进一步的，所述微纳结构呈对称分布，且从对称中心开始，一维周期性排列的微纳结构的周期以a＝a_start+(n-1)²×(a_end-a_start)/(N_t-1)²增加，从而在一维周期性排列微纳结构中引入锥形区域缺陷，其中a表示周期，a_start和a_end分别为锥形区域的第一个和最后一个晶格常数，N_t为一维光子晶体一端空气孔的数量，n在1到N_t的范围内取整数值。

进一步的，所述天线和电极采用金属金、铜、铝、钽或上述金属的合金。

进一步的，当所述天线和电极采用金属金时，所述天线、电极与铌酸锂薄膜之间采用金属钛或铬作为粘附层。

进一步的，所述天线采用结型天线、偶极子天线或周期型天线。

进一步的，所述电极与脊波导之间留有距离，以减少金属电极的吸收损耗。

进一步的，所述呈周期性排列的微纳结构正下方的缓冲层替换为空气层。

进一步的，所述衬底材料为单晶硅或单晶体铌酸锂；所述缓冲层为二氧化硅。

本发明的有益效果为：

本发明提供的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器结构，利用单晶铌酸锂薄膜上的一维光子晶体形成光学谐振腔，外界电场通过改变铌酸锂的折射率，从而改变谐振腔中谐振峰值的位置。所述的一维光子晶体结构的电场传感器，相比于非谐振式集成电光传感器灵敏度更高、体积更小；相比于微环式和布拉格光栅式的谐振式集成电光传感器，动态范围更大；相比于二维光子晶体的电场传感器，谐振腔品质因数相当，但尺寸进一步减小，结构简单且易于与光波导耦合。

另外，本发明利用具有负热光系数的二氧化钛材料，对铌酸锂的正热光系数实现补偿，避免了温度变化对传感器测量准确性的影响。同时利用底部二氧化钛、铌酸锂薄膜、顶部二氧化钛的三层结构，增加了电场在铌酸锂薄膜中的分布，提高了铌酸锂薄膜中电场和光场的重叠面积，从而进一步增加了电场传感器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明所述温度稳定的高灵敏度微型电场传感器的俯视图；

图2为本发明所述温度稳定的高灵敏度微型电场传感器的侧视图；

其中，101-铌酸锂平面，102-缓冲层，103-空气层，104-衬底，105-底部二氧化钛层，201-铌酸锂的脊，202-空气孔，203-天线，204-电极，205-顶部二氧化钛层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，如图2所示，所述电场传感器自下而上依次设有衬底104、缓冲层102和一维光子晶体。所述一维光子晶体由脊波导和在所述脊波导一个维度上呈周期性排列的微纳结构组成，主要用于传输光。所述脊波导为TiO₂-LN-TiO₂三层结构，具体的，所述脊波导包括底部二氧化钛层105、铌酸锂薄膜和顶部二氧化钛层205，其中所述底部二氧化钛层105呈平面状，平铺在所述缓冲层102的上方；所述铌酸锂薄膜呈脊形，包括铌酸锂平面101和铌酸锂的脊201，所述铌酸锂平面101平铺在所述底部二氧化钛层105上方，顶部二氧化钛层205设置在铌酸锂薄膜的脊201上方。

二氧化钛属于高介电常数的金属氧化物，单层二氧化钛的引入会使电场更多的分布在脊波导上方的空气中，使铌酸锂中电场减小；而在铌酸锂上、下层各设置二氧化钛层可增大电场在铌酸锂中的分布，增大铌酸锂中电场和光场的重叠面积，从而增大二者之间的相互作用，提高电场传感器的灵敏度。

另外，脊波导结构相比于平面波导，使电场更易分布在呈脊形电介质材料铌酸锂中，而不是分布在平面波导的上层空气中，因此脊波导结构进一步增大光子晶体中光场和电场的重叠面积，提高电场传感器的灵敏度。

在一维光子晶体的两侧分别设有天线203和电极204，每侧的天线203和电极204相连，其中所述天线203用于感应外界的电场及变化，所述电极204将天线203感应到的电场加载到一维光子晶体上，从而改变铌酸锂一维光子晶体的折射率，使得谐振腔的谐振频率发生位移。

所述电场传感器为轴对称结构。

所述呈周期性排列的微纳结构为空气孔，所述空气孔贯穿脊波导的三层结构。

可选的，所述空气孔202呈圆形、椭圆形或方形，椭圆形空气孔的一维光子晶体可以提供更宽的带隙和更高的反射率。

所述微纳结构呈对称分布，且从对称中心开始，一维周期性排列的微纳结构的周期以a＝a_start+(n-1)²×(a_end-a_start)/(N_t-1)²呈平方增加，从而在周期性结构中引入呈锥形区域缺陷，其中a表示周期，也为光子晶体的晶格常数，a_start和a_end分别为锥形区域的第一个和最后一个晶格常数，N_t为一维光子晶体一端空气孔的数量，n在1到N_t的范围内取整数值。通过引入呈锥形区域缺陷，在形成光子晶体谐振腔的同时，将光子晶体中的布洛赫模式可以最少的能量损失耦合到脊波导的导模中。这样设计的一维光子晶体，谐振腔中限制的基模光功率主要分布在铌酸锂电介质中，而不是空气孔中，从而可以利用铌酸锂的电光效应来感应电场。

所以，所述一维光子晶体在沿着周期的方向上通过周期性结构形成光学谐振腔对光场进行限制；在垂直于周期方向上，通过脊波导的两侧对光场进行限制。

可选的，铌酸锂薄膜的总厚度为300到700nm，铌酸锂的脊201的宽度为1到2μm，空气孔202的特征尺寸为0.4到1.5μm，底部二氧化钛层105和顶部二氧化钛层205的厚度分别为50到200nm，一维光子晶体的尺寸根据设计的光模式所对应的波长而确定。

铌酸锂为具有正热光系数的材料(dn_LN/dT＞0)，而二氧化钛为具有负热光系数(dn_TiO2/dT＜0)的材料，通过改变底部二氧化钛层和顶部二氧化钛层的厚度，可以改变光场在铌酸锂和二氧化钛材料中的分布比例η_LN和η_TiO2，根据关系式dn_eff/dT＝η_LN·(dn_LN/dT)+η_TiO2·(dn_TiO2/dT)，使得光子晶体中光场模式的有效折射率随温度的变化为零，即dn_eff/dT＝0。

其中，所述顶部二氧化钛层205可通过磁控溅射工艺实现；所述底部二氧化钛层105可通过在缓冲层102上磁控溅射二氧化钛后与上方的铌酸锂晶圆键合而实现。

所述天线203和电极204采用导电性和稳定性较好的金属金，由于金和铌酸锂材料粘附性不佳，一般在所述天线203、电极204与铌酸锂薄膜101之间分别设置10～15nm的金属钛或铬作为粘附层。

可选的，天线203和电极204的材料还可以为铜、铝、钽或上述金属的合金。

可选的，所述天线203可采用如图1中所示的结型天线，也可为偶极子天线或周期型天线，为电场传感器提供宽频响应。

优选的，所述电极204与脊波导201之间留有一定距离，在保证不增加一维光子晶体中光场的吸收损耗的前提下，可为一维光子晶体提供最大的外加电场。

所述衬底材料104为单晶硅或单晶体铌酸锂；所述缓冲层102为二氧化硅。

所述呈周期性排列的微纳结构的缓冲层替换为空气层103，即为悬空结构，在一维光子晶体下方的二氧化硅缓冲层用氢氟酸腐蚀和释放掉得到该空气层。空气层的设置可增大脊波导和周围介质的折射率对比度，从而增强谐振腔对光场的限制，减少光场的能量耗散，提高谐振腔的品质因数，提高传感器的灵敏度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述电场传感器自下而上依次设有衬底、缓冲层和一维光子晶体；所述一维光子晶体由脊波导和在所述脊波导一个维度上呈周期性排列的微纳结构组成，所述脊波导为TiO₂-LN-TiO₂三层结构；在一维光子晶体的两侧分别设有天线和电极，所述天线和电极相连，其中所述天线用于感应外界的电场，所述电极将天线感应到的电场加载到一维光子晶体上。

2.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述脊波导包括底部二氧化钛层、铌酸锂薄膜和顶部二氧化钛层；其中所述底部二氧化钛层呈平面状，平铺在所述缓冲层的上方，所述铌酸锂薄膜平铺在所述底部二氧化钛层上方，且所述铌酸锂薄膜呈脊形，顶部二氧化钛层设置在铌酸锂薄膜的脊上方。

3.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述呈周期性排列的微纳结构为空气孔，所述空气孔贯穿脊波导的三层结构。

4.根据权利要求3所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述空气孔呈圆形、椭圆形或方形。

5.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述微纳结构呈对称分布，且从对称中心开始，一维周期性排列的微纳结构的周期以a＝a_start+(n-1)²×(a_end-a_start)/(N_t-1)²增加，从而在一维周期性排列微纳结构中引入锥形区域缺陷，其中a表示周期，a_start和a_end分别为锥形区域的第一个和最后一个晶格常数，N_t为一维光子晶体一端空气孔的数量，n在1到N_t的范围内取整数值。

6.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述天线和电极采用金属金、铜、铝、钽或上述金属的合金。

7.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述天线采用结型天线、偶极子天线或周期型天线。

8.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述电极与脊波导之间留有距离。

9.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述呈周期性排列的微纳结构正下方的缓冲层替换为空气层。

10.根据权利要求1所述的温度稳定的高灵敏度微型电场传感器，其特征在于，所述衬底材料为单晶硅或单晶体铌酸锂；所述缓冲层为二氧化硅。