CN112729604A - 基于双环产生的fano谐振的三维传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双环产生的fano谐振的三维光传感器件，平行设置的直波导和侧边不等长的第一U型波导，第一U型波导较短侧边朝向直波导，直波导和第一U型波导较短侧边间有第一微环谐振器；直波导与第一U型波导较长侧边之间有第二微环谐振器和侧边不等长的第二U型波导，两个U型波导开口方向相同；两个微环谐振器与直波导间的距离不相同；直波导上有第一传感区，第一U型波导较长侧边上有第二传感区；第一微环谐振器上有第三传感区；第二微环谐振器上有第四传感区。该传感器件通过传感区实现三个维度的传感，进行高灵敏度的传感，凭借光传输速度快、抗电磁干扰能力强、传感响应快等特点，在未来的远距离高速传感领域发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明属于光学传感器件技术领域，涉及一种在未来光传感领域具有很大的作用的基于双环产生的fano谐振的三维传感器件。
背景技术
从1947年的第一个晶体管诞生，到1954年晶体管电子计算机的诞生，再到电子产品在当今社会的普及，微电子领域在短短几十年的时间里迅速发展。我们被微电子工业贡献的产品包围着。然而，近几十年来，随着人们生活水平的提高，人们对信息的要求也越来越高。传统的信息媒体已经不能满足人们的需求。高带宽、高光速的特性已成为信息传输的核心力量。另外，随着集成在单个芯片上的晶体管数量越来越多，晶体管的尺寸越来越小，焦耳定律引起的片上金属互连、单管功耗和散热等问题也越来越困难，而50多年前提出的摩尔定律也越来越难以继续下去。通过这一现象，我们可以看到，电子信息技术的发展已经进入了一个瓶颈，光子作为电子的替代品已经引起了众多研究者的关注。用集成光路代替集成电路，即以光代电，实现各种逻辑运算和器件的互连，用光纤代替铜线连接各种器件，可以提高数据传输和计算能力，降低了使用过程中的功耗。光学传感器件作为一种新型传感器，与传统传感器相比，光学传感器凭借着高检测灵敏度、宽动态范围、低成本等优势，对传感器的发展有着弥足轻重的意义，同时光学传感器在远程分析能力、电磁干扰灵敏度低、分辨率高等方面也具有不错的优势，而本发明提出的基于双环产生的fano谐振的三维传感器件可以通过在不同的传感区域实现不同维度的传感。此外，本发明提出的器件也具有很多的优良特点，例如：易于实现大规模集成、体积小、延时小、速度快、灵敏度高等，在未来可能在传感器领域中发挥重要作用。
对于光学传感器而言，较为普遍的是基于普通的对称洛伦兹谱线的，近年来也有陆续的科技论文发表在不同期刊上，如YAOCHENG SHI等人发表在著名光学期刊OPTICSEXPRESS上的“On-chip simultaneous sensing of humidity and temperature with adual-polarization silicon microring resonator”实现了温度与湿度的同时传感，而基于fano谐振的传感器由于fano谐振相较于普通的对称洛伦兹谐振拥有更高的消光比和滚边带降，对于传感器而言，较高的消光比和滚边带降会带来更高的灵敏度，提升传感器的分辨率。在SHUQI CHEN JIANGUO TIAN等人2018年发表在著名光学期刊Optics Letters上科技论文：“High-quality-factor multiple Fano resonances for refractive indexsensing”上，就实现了基于fano谐振的折射率传感，同时也实现了两个维度的传感。相较于现有技术，本发明可以在片上通过两个微环和三个波导的集成来通过fano谐振来实现三维的传感，简化了制造工艺的同时还增加了传感的维度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，可以在同一个器件下实现三个不同维度的传感，为光传感器的应用提供更为宽广的应用前景。
本发明所采用的技术方案是：一种基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，是基于fano谐振实现的传感，包括平行设置的直波导和侧边不等长的第一U型波导，第一U型波导较短侧边朝向直波导，直波导和第一U型波导较短侧边之间设有第一微环谐振器；沿直波导到第一U型波导的方向、直波导与第一U型波导较长侧边之间依次设有第二微环谐振器和侧边不等长的第二U型波导，第二U型波导较长侧边朝向第二微环谐振器，第二U型波导较短侧边与第一U型波导较长侧边相邻，第一U型波导和第二U型波导的开口方向相同；第一微环谐振器和直波导之间的距离小于第二微环谐振器和直波导之间的距离；
直波导上构建有第一传感区，第一传感区处于第一微环谐振器和第二微环谐振器之间；第一U型波导较长侧边上构建有第二传感区；第一微环谐振器上构建有第三传感区；第二微环谐振器上构建有第四传感区。
本发明三维传感器件具有如下优点：
1、利用光优异性质能够实现灵敏的传感以及传感数据的高速低损耗的传输；并且由于器件的制造过程可以和CMOS技术高度契合这就使得器件能够在片上高度集成，并且有体积小，功耗低的特点，并且利于与电学元件集成，实现传感，从而降低了在构建传感区时的成本，并且在未来多维的光学传感器中会有着重要的作用。
2、调制区都是相互独立的，它们能够实现同时并行工作，因此可以同时进行三个维度的传感。并且在各个传感区都是通过不同方式对光束进行处理，故此传感器件的响应速度比传统的传感器有一个非常大的提升。
3、在功能方面，本发明三维传感器件相较于普通传感器既可以通过fano谱线的高滚边带降，也就是波导折射率的变化对于谱线的漂移更敏感来提升传感精度，也可以实现多维度的传感，并且仅需要一个激光源，因而在未来光传感器领域有着较好的应用前景。
4、相较于普通的fano谐振，本发明三维传感器件谱线的消光比更大，同时滚边带降也更大，这样的谱线能够提升光传感器的灵敏度。
5、fano谐振是通过两个环的下载端进行干涉实现的。
6、相较于现有技术中的光学传感器，本发明三维传感器件可以实现两个维度的折射率传感以及一个维度的损耗传感，并且三个维度的传感并不互相影响，实现三个维度的传感。同时本发明三维传感器件只用到两个微环谐振器，能够实现小尺寸的集成，并且波导纳米线的制作工艺也兼容CMOS技术。本发明三维传感器利用光进行传感还具有延时小，速度快的优势，并且由于本发明是基于fano谐振的传感，灵敏度相较于其他传统光学传感器对还有着可观的提升。
附图说明
图1是本发明三维传感器件的结构示意图。
图2是本发明三维传感器件中模块一的示意图。
图3是本发明三维传感器件中第三传感区和第四传感区的响应图。
图4是本发明三维传感器件所需的fano谱线与普通洛伦兹谱线对比图。
图5是本发明三维传感器件中第三传感器和第四传感区实现传感时，光谱的传输谱线的响应图。
图6是本发明三维传感器件中第一传感区实现传感时，第一微环谐振器和第二微环谐振器在干涉时产生的光谱传输谱线的响应图。
图7是在本发明三维传感器件中第二传感区实现传感时，相位差的变化对干涉后的光谱传输谱线的响应图。
图8是本发明三维传感器件中硅基的结构示意图。
图9是本发明三维传感器件第一传感区中通过有效折射变化实现传感的示意图。
图10是本发明三维传感器件第二传感区中通过有效折射率变化实现传感的示意图。
图11是本发明三维传感器件第三传感区中通过波导损耗变化实现传感的示意图。
图中：1.第一U型波导，2.第一微环谐振器，3.直波导，4.第一传感区，5.第二微环谐振器，6.第二U型波导，7.第二传感区，8.第三传感区，9.第四传感区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明三维传感器件，包括平行设置的直波导3和第一U型波导1，第一U型波导1的两个侧边不等长，第一U型波导1较短侧边朝向直波导3，直波导3和第一U型波导1较短侧边之间设有第一微环谐振器2；沿直波导3到第一U型波导1的方向、直波导3与第一U型波导1较长侧边之间依次设有第二微环谐振器5和第二U型波导6，第二U型波导6的两个侧边不等长，第二U型波导6较长侧边朝向第二微环谐振器5，第二U型波导6较短侧边与第一U型波导1较长侧边相邻。第一U型波导1和第二U型波导6的开口方向相同，第一U型波导1和第二U型波导6的宽度相同，第一U型波导1与第二U型波导6相邻的位置形成定向耦合器D-1。
第一微环谐振器2与第二微环谐振器5之间有可阻止该两个微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。且第一微环谐振器2和直波导3之间的距离小于第二微环谐振器5和直波导3之间的距离。
直波导3上构建有第一传感区4，第一传感区4处于第一微环谐振器2和第二微环谐振器5之间。第一U型波导1较长侧边上构建有第二传感区7。第一微环谐振器2上构建有第三传感区8，第二微环谐振器5上构建有第四传感区9，第三传感区8和第四传感区9的结构尺寸相同。
本发明三维传感器件中，除了传感区外的所有波导都用纳米线波导，波导尺寸与现有技术中常用基模波导的尺寸一致。
各传感区可以通过微流通道、在波导上铺材料或引线实现对波导损耗的改变，实现传感；或者，各传感区可以通过微流通道、在波导上铺材料或引线实现有效折射率的改变，从而实现传感。第一传感区4通过改变传输损耗实现传感。第二传感区7、第三传感区8和第四传感区9通过改变折射率实现传感。
第一微环谐振器2和第二微环谐振器5组成模块一。第三传感区8和第四传感区9构成模块二。第一传感区4为模块三。第二传感区7为模块四。
第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的半径相同，且波导结构一致。第一微环谐振器2与直波导3之间的距离以及第一微环谐振器2和第一U型波导1之间的距离相同，均为gap1；第二微环谐振器5与直波导3之间的距离以及第二微环谐振器5与第二U型波导5之间的距离相同，均为gap2，如图2所示，且gap1＜gap2。
由于gap1＜gap2，使得第一微环谐振器2的耦合系数大于第二微环谐振器5的耦合系数，就可以使更多的光进入第二微环谐振器5，从而使得通过第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的光强度差距不是很大。同时由于fano谐振的前提是一个连续态和一个离散态的两束光的干涉，由于两者gap不相同，就能在各自的下载端产生一个Q值不同的下载峰，高Q值的峰作为离散态进行干涉，低Q值的峰作为连续态进行干涉，从而实现一个fano谐振。
本发明三维传感器件的感应图，如图3所示，其核心结构包括模块一、模块二、模块三和模块四。该三维传感器件传感的实现是基于不对称的fano谐振而产生的，如图4所示。图4中的（a）图为本发明三维传感器件所需的非对称的fano谐振谱线图；图4中的（b）图为普通的对称的洛伦兹曲线图。不对称的fano谐振相较于普通的对称洛伦兹谐振具有更大的消光比和更高的滚边带降，对于传感器而言，更高的滚边带降就使得光强度对波长漂移的反馈更加灵敏，也就是光强度对微环谐振器的有效折射率变化更加敏感，而更高的消光比能够带来更大范围内对于消光比变化的反馈，针对此器件也就是第一传感区4的损耗变化对谱线的影响可以更大，通过此方案也能够提升此结构传感的范围，这就可以在光传感器的应用上来大幅提升传感的灵敏度和范围的原理，也是此结构作为传感器的一大优势。
本发明三维传感器件通过第三传感区8改变第一微环谐振器2的有效折射率，使得第一微环谐振器2的谐振波长发生改变；通过第四传感区9改变第二微环谐振器5的有效折射率，使第二微环谐振器5的谐振波长发生改变，从而使得发生fano谐振的波长也同时发生改变，通过检测fano产生波长的漂移来体现第三传感区8和第四传感区9对于谱线的改变从而实现传感，其原理是当第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的有效折射率同时发生变化，而微环谐振器的有效折射率变化会改变微环谐振器的谐振波长，使其发生波长漂移，第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的波长同时发生漂移就会使得所需要的fano谐振发生的波长位置发生漂移，而温度变化的不同也会使得波长漂移大小不一致，从而通过这样的方式在第三传感区8和第四传感区9实现传感，光谱的传输谱线的响应如图5所示。
通过第一传感区4改变直波导3的传输损耗，减小进入第二微环谐振器5中的光的强度，从而使得在第二微环谐振器5的下载端的光强度减小，最终影响在干涉时fano谱线的消光比和滚边带降，通过消光比的变化和滚边带降的变化来体现第一传感区4对于光谱谱线的改变从而实现传感，其原理是需要铺设反向PN结的电极进行载流子注入，当波导内进行载流子注入后，会使得波导的损耗增大，当电极上的电压不同时，注入的载流子数目不同，也就使得第一传感区4的传输损耗不同，从而影响进入第二微环谐振器5的光强度，进而使得通过第一微环谐振器2和第二微环谐振器5在干涉时产生的传输谱线不一致，光谱传输谱线的响应如图6所示。
通过第二传感区7来改变第一U型波导1的有效折射率，从而改变传输过第二传感区7的光的相位，使得在D-1干涉时两束光的相位差发生变化，最终影响干涉时fano谱线的消光比，可以通过消光比的变化来体现第二传感区7对于谱线的改变从而实现传感，其原理是，当在第一U型波导1中第二传感区7的两侧铺设电极，通过热光效应的调制，也就是热对于有效折射率的改变，会使得第一U型波导1上的有效折射率发生改变，而对于直波导而言，有效折射率的变化会导致通过这段波导的光的相位发生变化，而这也就导致了通过第一微环谐振器2的光通过第一U型波导1时的相位发生了变化，当通过第一微环谐振器2和第一U型波导1的光与通过第二微环谐振器5的光发生干涉时，相位差的变化就会使得干涉后的谱线不一致，光谱传输谱线的响应如图7所示。
本发明三维传感器件可以实现三个不同维度的传感，例如海水的温盐压，可以通过第三传感区8和第四传感区9进行温度传感，第一传感区4进行压力传感，第二传感区7进行盐度传感，下面对该四个传感区实现传感的原理进行详细说明：通过在第三传感区8和第四传感区9铺建微流通道，让海水通过微流通道，那么海水的温度变化会导致第一微环谐振器2和第二微环谐振器3的有效折射率同时发生变化，而微环谐振器的有效折射率变化会改变微环谐振器的谐振波长，使其发生波长漂移，第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的波长同时发生漂移就会使得所需要的fano谐振发生的波长位置发生漂移，而温度变化的不同也会使得波长漂移大小不一致，从而通过这样的方式在第三传感区8和第四传感区9实现传感，如图5所示；第二传感区7传感的实现需要微流通道和电极，盐度的变化会导致海水的电阻大小发生变化，在第二传感区7上铺设电极后并让电极与海水发生接触，使得海水成为导线的一部分，在通电后，当海水的电阻发生变化时，加载在电极上的电流就会发生变化，电流的变化就会导致产热不一致，通过热光效应的调制，也就是热对于有效折射率的改变，会使得第一U型波导上1的有效折射率发生改变，而对于直波导而言，有效折射率的变化会导致通过这段波导的光的相位发生变化，而这也就导致了通过第一微环谐振器2的光通过第一U型波导1时的相位发生了变化，当通过第一微环谐振器2和第一U型波导1的光与通过第二微环谐振器5的光发生干涉时，相位差的变化就会使得干涉后的谱线不一致，如图7所示；而对于第一传感区4，可以通过铺设电极和一个具有压电效应的电介质来实现传感，由于具有压电效应的电介质的电阻可以对压力进行反馈，那么将其与铺设在直波导3两端的电极相连，在通电后，海水压力的变化会使得电极上的电压不同，但对于第一传感区4而言，需要铺设反向PN结的电极进行载流子注入，当波导内进行载流子注入后，会使得波导的损耗增大，当电极上的电压不同时，注入的载流子数目不同，也就使得第一传感区4的传输损耗不同，从而影响进入第二微环谐振器5的光强度，进而使得通过第一微环谐振器2和第二微环谐振器5在干涉时产生的传输谱线不一致，如图6所示。
本发明三维传感器件输入的是一个基模宽谱光信号，输出的是经过传感区调制后的光信号，相较于电传感器输出的电信号，光信号有着传输速度快，损耗低，延时低的特点，
本发明三维传感器件是基于SOI材料实现的，它的优点是；工艺利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成实现传感、构建相应的传感区域或在相应区域生长或溅射能够实现传感的材料。
本发明三维传感器件的性能优点与它所采用的材料属性及器件的结构关系密切。
在材料方面：本三维传感器件中的波导以及微环谐振器采用的是绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料。SOI 是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si（折射率为3.45），包层是SiO2（折射率为1.44），如图8所示；这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强，在传感区部分可以通过图9所示的微流通道、图10所示的热光调制模块来改变有效折射率或图11所示的电光调制模块通过载流子注入的方式来改变波导的损耗，从而实现不同位置不同方式的传感。
下面通过分析光信号在图11所示的基于双环产生的fano谐振的传感器件中的传输过程，简要说明其工作原理：
首先分析没有传感器的情况的静态光谱下，从输入端输入一个宽谱光，在通过第一微环谐振器2时，满足谐振条件波长的一部分光会从路径一向输出端进行传输，而通过第二微环谐振器5时，满足谐振条件波长的一部分光会从路径二向输出端进行传输。由于两个微环谐振器半径一致，根据谐振条件，两个微环谐振器的谐振波长也是一致的，因此在D-1位置可以得到相同波长两个下载端的峰，但是第一微环谐振器2和第二微环谐振器5的Q值和相位不一致，所以能够通过这两束光的干涉来实现一个fano谱线。
而对于传感的实现，可以分为两个步骤，步骤一：确定各个传感区对于谱线影响的系数；二：通过这些系数来使用本发明进行传感。其中步骤一具体实现如下所述：首先确定第三传感区8和第四传感区9，通过图4可以得出，第三传感区8和第四传感区9对于谱线的影响在fano谱线的波长漂移和fano谱线的消光比的大小上，那么通过标定实验，也就是通过前期实验确定在不同的传感区上进行传感实验，例如：温度改变1℃，谱线漂移0.1nm；温度改变2℃，谱线漂移0.2nm等，通过这样的实验来标定谱线变化与所需要传感的关系，从而确定第三传感区8和第四传感区9对于波长漂移和消光比的影响系数。对于第一传感区4和第二传感区7可以使用同样的方式来确定所需要的系数。在四个传感区的系数确定完毕后，可以进行传感的测试。
本发明中，所述光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行处理。
Claims (4)
1.一种基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，其特征在于，包括平行设置的直波导（3）和侧边不等长的第一U型波导（1），第一U型波导（1）较短侧边朝向直波导（3），直波导（3）和第一U型波导（1）较短侧边之间设有第一微环谐振器（2）；沿直波导（3）到第一U型波导（1）的方向、直波导（3）与第一U型波导（1）较长侧边之间依次设有第二微环谐振器（5）和侧边不等长的第二U型波导（6），第二U型波导（6）较长侧边朝向第二微环谐振器（5），第二U型波导（6）较短侧边与第一U型波导（1）较长侧边相邻，第一U型波导（1）和第二U型波导（6）的开口方向相同；第一微环谐振器（2）和直波导（3）之间的距离小于第二微环谐振器（5）和直波导（3）之间的距离；
直波导（3）上构建有第一传感区（4），第一传感区（4）处于第一微环谐振器（2）和第二微环谐振器（5）之间；第一U型波导（1）较长侧边上构建有第二传感区（7）；第一微环谐振器（2）上构建有第三传感区（8）；第二微环谐振器（5）上构建有第四传感区（9）。
2.如权利要求1所述的基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，其特征在于，通过微流通道、在波导上铺材料或引线实现对波导损耗的改变，形成传感区，实现传感；或者，各传感区可以通过微流通道、在波导上铺材料或引线实现有效折射率的改变，形成传感区，实现传感；第一传感区（4）通过改变传输损耗实现传感；第二传感区（7）、第三传感区（8）和第四传感区（9）通过改变折射率实现传感。
3.如如权利要求1所述的基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，其特征在于，第一微环谐振器（2）和第二微环谐振器（5）的半径相同，且波导结构一致；第一微环谐振器（2）与直波导（3）之间的距离与第一微环谐振器（2）和第一U型波导（1）之间的距离相同；第二微环谐振器（5）和直波导（3）之间的距离与第二微环谐振器（5）和第二U型波导（5）之间的距离相同。
4.如权利要求1或3所述的基于双环产生的fano谐振的三维传感器件，其特征在于，第一微环谐振器（2）与第二微环谐振器（5）之间有可阻止该两个微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080095490A1 (en) * | 2004-09-08 | 2008-04-24 | The Regents Of The University Of Michigan | High Frequency Ultrasound Detection Using Polymer Optical-Ring Resonator |
| WO2015080663A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | Agency For Science, Technology And Research | Micro-machined optical pressure sensors |
| WO2016008144A1 (zh) * | 2014-07-18 | 2016-01-21 | 华为技术有限公司 | 波长选择开关和选择波长的方法 |
| US20160273980A1 (en) * | 2013-11-27 | 2016-09-22 | Agency For Science, Technology And Research | Micro-machined optical pressure sensors |
| JP2017015788A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-19 | 日本電信電話株式会社 | 光波長可変フィルタ |
| CN110849843A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-02-28 | 东南大学 | 基于级联u型波导嵌套微环的硅基折射率传感器 |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080095490A1 (en) * | 2004-09-08 | 2008-04-24 | The Regents Of The University Of Michigan | High Frequency Ultrasound Detection Using Polymer Optical-Ring Resonator |
| WO2015080663A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | Agency For Science, Technology And Research | Micro-machined optical pressure sensors |
| US20160273980A1 (en) * | 2013-11-27 | 2016-09-22 | Agency For Science, Technology And Research | Micro-machined optical pressure sensors |
| WO2016008144A1 (zh) * | 2014-07-18 | 2016-01-21 | 华为技术有限公司 | 波长选择开关和选择波长的方法 |
| JP2017015788A (ja) * | 2015-06-26 | 2017-01-19 | 日本電信電話株式会社 | 光波長可変フィルタ |
| CN110849843A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-02-28 | 东南大学 | 基于级联u型波导嵌套微环的硅基折射率传感器 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113358238A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-09-07 | 桂林电子科技大学 | 基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器 |
| CN113358238B (zh) * | 2021-06-09 | 2023-08-25 | 桂林电子科技大学 | 基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器 |
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