CN112888918A - 用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置，包括具有光波导(20)的声学传感器(50)。光波导(20)包括具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯(202)和连接至波导芯(202)并且包括光学透明的聚合物的外包层(204)，该外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数。波导芯折射率大于外包层折射率，并且外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。还描述了其他应用。

Description

用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年8月20提交的Rozental等人的美国临时专利申请号62/720,050，名称为“用于声学感测的聚合物涂布的高折射率波导”的优先权的权益，其通过引用并入本文。
发明领域
本发明涉及声学感测领域，并且更具体涉及超声检测。
背景技术
基于超声波的技术在日常生活中非常丰富。这些技术能够对产品进行无损测量，并通过超声检查提供医疗信息。超声波的检测通常由压电换能器完成，压电换能器是响应压力瞬变而产生电压的机电设备。尽管压电换能器已成为医疗超声检查的使能技术，但它们表现出固有的局限性，阻碍了新应用的发展。压电换能器既不透明，又容易受到电磁干扰。另外，压电换能器的灵敏度与尺寸成比例，降低分辨率并使其与几种医疗应用不兼容。在诸如需要微型化和高灵敏度的血管内光声成像等应用中，和/或在需要不受电磁干扰(EMI)影响的磁声学中，压电技术的性能通常不足。
干涉式超声检测是压电技术的替代方法，在压电技术中，两个光信号之间的干涉强度(其中之一由检测器发出)由撞击的超声波进行调制。干涉式检测器在很大程度上不受电磁干扰的影响，可在透明基板上产生。然而，光学干涉测定法尚未达到亚帕斯卡的灵敏度，特别是对于诸如光声成像之类的应用，这通常是通过大面积的压电检测器实现的(这也对这些技术施加了分辨率限制)。
发明内容
根据本发明的一些应用，提供了包括具有光学感测元件的声学传感器的装置。对于一些应用，声学传感器包括超声检测器。
由本发明的一些应用提供的声学传感器通过允许声学传感器的微型化同时保持传感器的高灵敏度而特别适合微创医疗应用。在该上下文中，在说明书和权利要求中，“灵敏度”意思是声学信号通过声学传感器到光学信号的转换的效率。额外地，由本发明的一些应用提供的声学传感器一般不受电磁干扰(EMI)的影响，进一步使得其适合用于医疗应用。
对于一些应用，声学传感器的声学感测元件包括光波导。光波导通常包括(a)具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯(如，一个或多个波导芯)，和(b)连接至波导芯的包括光学透明聚合物并且具有外包层折射率和外包层光弹性系数的外包层(over-cladding)。通常，波导芯折射率大于外包层折射率，和外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。
对于一些应用，波导芯包括光学材料，其特征在于高折射率，如至少1.7的折射率。通常，高波导芯折射率有助于声学传感器的微型化，使得声学传感器适合用于各种微创医疗应用，如，血管内超声波成像。然而，根据本发明的一些应用，波导芯额外地特征在于相对低的光弹性系数。例如，波导芯包括硅，其具有3.48的高折射率，和-17.13TPa-1和5.51TPa-1的低光弹性系数，这可以限制光波导的灵敏度。因为响应于声波撞击在波导上而在波导中发生较低折射率调制，所以低光弹性系数通常限制波导的灵敏度，这导致波导的检测降低。
根据本发明的一些应用，将波导芯浸没在形成光波导的外包层的光机(opto-mechanical)材料中。光机材料包括聚合物，其对光波导中引导的光是透明的，并且其光弹性系数大于制造波导芯的材料的光弹性系数。通常，外包层的透明聚合物具有高光弹性系数，其比波导芯光弹性系数大至少四倍。额外地，透明聚合物特征在于其折射率低于波导芯的折射率。进一步额外地，透明聚合物特征在于其杨氏模量在10GPa以下，如在5GPa以下。
对于一些应用，外包层的透明聚合物包括苯并环丁烯(BCB)。BCB通常特征在于1.54的相对低的折射率，以及99TPa-1和31TPa-1的高光弹性系数。额外地，BCB具有2.9GPa的杨氏模量。
根据本发明的一些应用，透明聚合物外包层通过改善撞击在声学传感器上的声学信号到光学信号的转换而提高了光波导的灵敏度，从而改善了设备对声波的检测。因此，既实现了微型化(通过高折射率波导芯促进)，又增强了声学传感器的灵敏度(通过透明聚合物外包层促进)。另外地或可选地，发明人在本文中其他地方显示了，使用透明聚合物外包层降低了声学传感器对表面声波(SAW)和声学混响的敏感性。更具体地，本发明人显示了，在对声学混响和SAW的灵敏度和敏感性方面，BCB外包层改善了用于超声检测的硅光子波导的能力。
对于一些应用，光源(如，激光)被耦合至光波导并且来自激光的参比光学信号干涉由波导发射的信号。当声波(例如超声波)入射到光波导上时，它会修改波导的几何形状和光学性质，使得信号在其输出端获得相位调制，导致参比光学信号的干涉的不同强度。该调制指示撞击在波导上的声波，使得可以检测到声波形式。
对于一些应用，光波导进一步包括和/或耦合至(如，CROW)，一个或多个共振器，该共振器配置为以一个或多个波长展现光学共振。对于在波导中以共振波长传播的光，获得其中制造和/或连接共振器的波导的部分的定域化(localization)。因此，使用共振器促进声学传感器的微型化并增强灵敏度。
对于一些应用，波导芯的皱褶可以用于暴露至光机材料(即，透明聚合物)的引导模式(波导TE(横向电)和TM(横向磁)的横向模式)。
因此，根据本发明的一些应用，提供了一种装置，其包括：声学传感器，该声学传感器包括光波导，该光波导包括：具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯；连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外包层，该外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数；波导芯折射率大于外包层折射率，和外包层光弹性系数大于波导芯光弹性系数。
对于一些应用，外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
对于一些应用，波导芯折射率是至少1.7。
对于一些应用，波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。
对于一些应用，外包层折射率小于1.7。
对于一些应用，外包层光弹性系数是至少80TPa-1。
对于一些应用，外包层光弹性系数比波导芯光弹性系数大至少四倍。
对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。
对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。
对于一些应用，波导芯包括硅。
对于一些应用，装置进一步包括光源，其布置使得由光源产生并在光波导处定向的光学信号由于撞击光波导的声波而进行调制。
对于一些应用，光源包括配置为产生激光束的激光器。
对于一些应用，由光源产生的信号以相位进行调制。
对于一些应用，由光源产生的信号以振幅进行调制。
对于一些应用，光波导包括一个或多个光学共振器。
对于一些应用，光波导是共振器。
对于一些应用，一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
对于一些应用，光波导的最大长度为100微米。
对于一些应用，光波导进一步包括下包覆层(under-cladding layer)。
额外地，根据本发明的一些应用，提供了一种系统，其包括光波导，该光波导包括具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯；连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外包层(over-cladding layer)，该外包层具有小于波导芯折射率的外包层折射率，和大于波导芯光弹性系数的外包层光弹性系数；干涉仪，其配置为由激光源产生在光波导处定向的激光束，使得激光束传播通过光波导，由此通过撞击光波导的声波调制激光束。
对于一些应用，干涉仪进一步配置为测量声波撞击光波导时的调制，以基于测量计算光波导的光谱响应的位移，该位移指示声波的波形。
对于一些应用，光波导包括一个或多个光学共振器。
对于一些应用，光波导芯是共振器。
对于一些应用，一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
对于一些应用，声波是超声波。
对于一些应用，外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
对于一些应用，波导芯折射率是至少1.7。
对于一些应用，波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。
对于一些应用，外包层折射率小于1.7。
对于一些应用，外包层光弹性系数是至少80TPa-1。
对于一些应用，外包层光弹性系数比波导芯光弹性系数大至少四倍。
对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。
对于一些应用，外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。
对于一些应用，波导芯包括硅。
进一步，根据本发明的一些应用，提供了一种方法，其包括：使用光波导，该光波导包括具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数的波导芯，和连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外包层，该外包层具有小于波导芯折射率的外包层折射率，和大于波导芯光弹性系数的外包层光弹性系数；当声波撞击光波导时在光波导处定向激光束，以使激光束传播通过光波导，使得激光束被调制；和基于测量调制计算光波导的光谱响应的位移，该位移指示声波的波形。
对于一些应用，使用光波导包括使用具有至少1.7的波导芯折射率和至少80TPa-1的外包层光弹性系数的光波导。
对于一些应用，方法进一步包括在光波导中提供一个或多个光学共振器，光学共振器选自π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
对于一些应用，声波是超声波。
对于一些应用，使用光波导包括使用光波导，和外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
对于一些应用，使用光波导包括使用光波导，和波导芯包括硅。
进一步，根据本发明的一些应用，提供了一种装置，其包括：声学传感器，该声学传感器包括光波导，该光波导包括：硅波导芯；连接至波导芯并包括光学透明的聚合物的外包层。
对于一些应用，外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
对于一些应用，光学透明的聚合物的光弹性系数比硅波导芯的光弹性系数大至少四倍。
通过下面结合附图对其实施方式的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中：
附图说明
在附图中示出了示例性实施方式。在附图中示出的部件和特征的尺寸通常是为了表示的方便和清楚起见而选择的，并且不一定按比例示出。这些附图在下面列出。
图1是显示根据本发明的一些应用的装置的横截面的示意性说明，该装置包括具有嵌入外包层中的硅波导芯的波导，该外包层包括透明的聚合物；
图2A-B显示了根据本发明的一些应用的图1的硅波导的TE(图2A)和TM(图2B)模式的电场的大小(magnitude)；
图3是根据本发明的一些应用的利用图1的波导的干涉仪的示意性说明；
图4A-B是显示使用根据本发明的一些应用的装置并执行的实验设置的示意图的示意性说明；
图5A-B是显示与从纤维获得的光学相移所比较，在硅波导中测量的光学相移的图，其源于分别撞击波导和纤维的聚焦超声脉冲。显示了根据本发明的一些应用，具有BCB外包层的波导的结果(如图1中所示)，以及与二氧化硅(SiO2)外包层相比，和与纤维相比，TM(图5A)和TE(图5B)模式的结果。
图6A-B是显示相比于由于聚焦超声脉冲的水听器响应来自硅波导的标准化响应的图。给出了与根据本发明的一些应用的具有BCB外包层(如图1中所示)的波导相比水听器响应的结果，以及与二氧化硅(SiO2)外包层相比，TM(图6A)和TE(图6B)模式的结果。
图7A-B是显示根据本发明的一些应用，对于TM(图7A)和TE(图7B)模式，具有BCB外包层的波导获得的图4B中图解的远场测量的超声诱导相移的测量的峰-峰值，以及与二氧化硅(SiO2)外包层相比的图；和
图8是显示根据本发明的一些应用的嵌入外包层中的波导芯的横截面的示意图，外包层包括透明聚合物。
具体实施方式
本发明的一些方面提供了声学传感器，其配置用于通过检测声波在光学感测元件中诱导的应力和应变来检测声波。光学检测通常基于光弹性作用，其中声学传感器的光学部件中的应力或应变导致光学部件的折射率变化。这些变化指示撞击在声学传感器上的声波，由此允许声波的基于光学的检测。
在本发明的一些方面中，声学传感器包括超声检测器，如，干涉测量超声检测器。对于一些方面，超声检测器配置为检测100KHZ以上频率的超声波。超声检测器通常被成形、定制大小和取向进行医疗应用的超声检测。例如，血管内光声学成像，其中期望微型化和高灵敏度，和/或在磁声学中，其中需要不受电磁干扰(EMI)的影响。
本发明的一些方面涉及高分辨率超声成像，如，作为此类检测器的扫描装置或阵列的部分。这可以用于增加医学成像和无损超声测试的分辨率。特别地，成像导管和内窥镜可以使用根据本发明的一些方面的本文提供的声学传感器，以增加采用的检测器的数量以及其频率，因此能够以较高分辨率成像。本发明的一些方面尤其适合混合超声成像技术(如，光声学和磁声学成像)，其中其能够增加分辨率和因此增加广泛使用。
在本发明的一些方面中，声学传感器包括光波导，其包括波导芯和连接至并嵌有波导芯的波导包层。
在一些方面中，波导芯具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数。通常，波导芯折射率为至少1.7的高折射率，和波导芯光弹性系数是最大20TPa-1的低光弹性系数。对于一些应用，波导芯包括特征为3.48的高折射率的硅波导芯。硅的高折射率一般允许波导以及由此的声学传感器的微型化。与硅波导芯的高折射率相反，硅波导芯进一步特征为-17.13TPa-1和5.51TPa-1的低光弹性系数。低光弹性系数可以损害撞击声学传感器的声学信号到光学信号的转换，由此限制声学传感器的灵敏度。
根据本发明的一些方面，通过将波导芯嵌入包括透明聚合物的外包层中克服了波导芯的上述缺点。通常，外包层的透明聚合物的特征在于最大1.7的相对低的折射率，和至少30TPa-1的高光弹性系数。通常外包层的高光弹性系数允许撞击声学传感器的声波使外包层高度变形，由此增加声学传感器的灵敏度和补偿波导芯的低灵敏度。在一些方面中，外包层包括苯并环丁烯(BCB)，其特征为1.54的折射率和99TPa-1和31TPa-1的光弹性系数。根据本发明的一些方面，发明人在本文中显示了，苯并环丁烯(BCB)外包层在对声学混响和SAW的灵敏度和敏感性方面改善了硅光子波导进行超声检测的能力。
对于本发明的一些方面，在光波导处定向光源，如激光，而来自激光的参比光学信号干扰从波导发射的信号。当声波(如，超声波)入射在光波导上时，声波改变了波导的几何结构和光学性质，使得在其输出的信号获得其相中的调制，导致与参比光学信号的干扰的不同强度。该调制指示撞击波导的声波，使得可以检测声波形式。
根据本发明的一些方面，装置进一步包括与光学波导一起使用的干涉仪。干涉仪配置为从激光源产生在光波导定向的激光束，使得激光束传播通过光波导，由此通过撞击光波导的声波调制激光束。该调制指示撞击波导的声波，使得可以检测声波波形。
根据本发明的一些方面，光波导进一步包括和/或连接至(如，CROW)，一个或多个光学共振器，该光学共振器配置为以一个或多个波长展现光学共振。对于在波导中以共振波长传播的光，对于以共振波长在波导中传播的光，获得其中制造和/或连接共振器的波导的部分的定域化。因此，使用共振器促进声学传感器的微型化并增强灵敏度。对于一些应用，一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
根据本发明的一些方面，提供了检测声波的方法，其包括当声波撞击光波导时在光波导处定向激光束，以使激光束传播通过光波导，使得激光束被调制。根据本发明的一些方面，波导包括嵌入在透明聚合物外包层中的高折射率波导芯(如，硅芯)。计算基于测量调制的光波导的光谱响应的位移。这些位移通常指示声波的波形，由此能够检测声波。
现在参考图1，其是建模包括波导20的光声学传感器50的横截面的示意说明。显示了根据本发明的一些应用的波导20具有嵌入包括透明聚合物的外包层204中的硅波导芯202。
对于一些应用，波导芯20包括波导芯202，其包括硅；和外包层204，其包括苯并环丁烯(BCB)。注意到，通过说明和非限制的方式显示了硅波导芯和/或BCB外包层。波导芯202可以包括特征为相对高的折射率和相对低的光弹性系数的任何其他光学材料。类似地，外包层204可以包括任何其他合适的透明聚合物。任选地但非必须地，波导20额外地包括二氧化硅下包层206，其通常是在其上制造波导芯的基板。任选地但非必须地，波导20包括额外的硅基板208。
波导20的波导芯202通常特征在于高折射率和低光弹性系数，和外包层204通常特征在于低折射率，高光弹性系数，和10(E)GPa以下的杨氏模量，如，5GPa以下。
具体地，波导芯202的折射率大于外包层204的折射率，和外包层204的光弹性系数大于(如，大4倍)波导芯202的光弹性系数。以下表1显示了硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、和苯并环丁烯的光学、机械、声学和光弹性性质：
性质 Si SiO<sub>2</sub> BCB
折射率(n) 3.48 1.44 1.54
杨氏模量(E)GPa 130 76.7 2.9
泊松比(v) 0.27 0.19 0.34
密度(ρ)Kg/m<sup>3</sup> 2328 2200 1050
声阻抗(W)Kgm<sup>-2</sup>s<sup>-1</sup> 19.5 x 10<sup>6</sup> 13.6 x 10<sup>6</sup> 2.17 x 10<sup>6</sup>
光弹性常数(C1)TPa<sup>-1</sup> -17.13 1.17 99
光弹性常数(C2)TPa<sup>-1</sup> 5.51 3.73 31
对于根据本发明的一些应用执行的实验的目的，制造具有硅芯和BCB外包层的波导20。在一些情况中，波导20与也具有硅芯但缺少BCB外包层的其他波导进行比较。本文使用的术语“硅波导”一般指包括硅芯的波导。
硅波导的制造(如，图1中所图解)：
使用ePIXfab的SOI多项目晶片服务在IMEC的铸造厂(Leuven,Belgium)进行硅波导的制造。在200mm SOI晶片上利用波长为193nm波长的深紫外以及电感耦合等离子体反应离子刻蚀进行制造。提供两种类型的晶片，其中生产相同的硅结构。在两种晶片中，硅基板的厚度为700μm。在第一种晶片中，硅芯被埋在二氧化硅包层中。根据本发明的一些应用，在第二种晶片中，用于生产图1所示结构，通过保护抗蚀剂覆盖芯，其使用以下过程被BCB替换(3022-35系列，The Dow Chemical Company)。使用丙酮去除抗蚀剂包层和以3000rpm用BCB旋涂暴露的晶片持续60秒，得到约2μm厚度的BCB层。随后在热板上在200℃下烘烤10分钟，以去除溶剂和稳定BCB膜。之后，在惰性气氛中在230℃下对膜进行固化工艺持续30分钟，同时使用流动的N2气体避免氧化。
在两种晶片中，在两端上用纤维-芯片光栅耦合器生产2mm长的硅波导。将极化保持(PM)纤维耦合至波导，其中纤维关于光栅耦合器的取向确定TE或TM模式是否将被发射。总计，生产4纤维耦合的芯片，进行极化(TE或TM)和外包层材料(二氧化硅，或根据本发明的应用作为BCB外包层)的讨论的选择。
应当认识到，关于前述描述的硅波导的制造，通过说明而非限制提供数值。通常地，但非必须地，所显示的每个值都是一个示例，该示例选自所显示值的20％以内的范围。类似地，尽管以高水平的特异性描述了某些步骤，但是本领域普通技术人员将应理解，可以执行其他步骤，加上必要的修改。
仍然参考图1。根据本发明的一些应用，检查波导20(包括嵌入BCB外包层204中的条形硅波导芯202)，并与包括二氧化硅外包层、但没有包括透明聚合物(如BCB)的外包层并因此具有硅芯和具有1.17和3.73TPa-1的低光弹性系数的波导进行比较。对于根据本发明的应用执行的实验，将两种波导(即，波导20和没有透明聚合物的外包层的波导)浸没在水中并选择硅芯的宽度和高度分别为500nm和220nm，而包层的总厚度为4μm。
如上所述，根据本发明的一些应用，使用如图1中所建模的波导20和使用具有二氧化硅外包层的硅芯进行实验。一般地，发明人进行实验至少为了比较两种类型的波导中对SAW和声学混响的灵敏度和敏感性。进行实验，考虑到纵向声波，其垂直地撞击在两种类型的波导上，即，声学传播在y方向上。用W表示声阻抗，法向应力，σy，从介质“1”到介质“2”的透射由下式给出：
Figure BDA0003025914530000081
而反射由下式给出：
Figure BDA0003025914530000082
为了计算装置层中的应变，其是y和-y方向中的波传播的和，需要计算不同界面之间的多次反射，如，对于不同界面之间的所有多次反射。在以下方程A1-A4中提供的分析显示了，在不存在BCB外包层的波导中，SiO2外包层中的法向应力等于1.86σin,其中σin是入射波的应力的y分量。根据本发明的一些应用，对于波导20(图1)，SiO2(下包层)和BCB(外包层)两者中的法向应力计算为1.88σin，即，几乎等于由仅具有二氧化硅外包层而不具有BCB外包层的波导获得的值。
计算硅波导的SiO2和BCB层中σy的表达式。在分析中，假设二氧化硅和BCB层的宽度与声波长度相比相当地小，能够计算多次反射的作用而不考虑声波积累的相。为了简化，符号“t(a→b)”and“r(a→b)”被用于分别表示从层a到层b的透射和反射，其中在方程1和2中给出了透射和反射系数的表达式。对于波导20，由下式给出了SiO2层中法向应力：
Figure BDA0003025914530000083
在方程A1中取代方程1和2的表达式，获得下式：
Figure BDA0003025914530000084
有趣地，方程A2中的表达式代表了如果不存在SiO2层所获得的从水到硅的透射。在波导20中，由以下表达式给出了SiO2和BCB层中的法向应变：
Figure BDA0003025914530000085
再次取代方程1和2中的表达式，方程A3可以精确书写为：
Figure BDA0003025914530000086
注意到，由于方程1和2的求导基于层之间的法向应变的连续过渡，所以BCB和SiO2层中的法向应变是相等的。
经常使用两个连接的度量来量化机械扰动对波导光学性质的影响。当由于均匀的压力(P)在给定长度的波导中检测到光学相位(φ)的变化时，使用相位灵敏度：Sφ＝dφ/dP。对于使用共振器的应用，标准化的灵敏度更合适：Sλ＝dλres/(λresdP)，其中λres是共振波长而dλres是由于扰动的波长的位移。Sλ可以使用以下方程进行计算：
Figure BDA0003025914530000091
其中neff是引导模式的折射率和εz是z方向的应变。由下式给出了Sλ和Sφ之间的关系式：
Figure BDA0003025914530000092
其中λ是入射光波长，和L是传感器的有效长度。
为了计算由于垂直撞击芯片的平面纵向声波的Sλ，使用以下模型，其中εz、εx→0。通过计算由于变形和材料受光弹性作用的折射率变化引导模式的neff的变化执行Sλ的计算，由以下方程式给出计算：
Figure BDA0003025914530000093
Figure BDA0003025914530000094
Figure BDA0003025914530000095
Figure BDA0003025914530000096
其中C1和C2是光弹性常数和ν是泊松比。在上述表1中总结了硅、二氧化硅、和BCB的光学、机械和声学参数的值。注意到，对于Si和SiO2，在λ＝1550nm下测量光学参数，而对于BCB，在λ＝1536nm下获得它们的值。通过方程式(3)和(5)计算Sλ使用模式求解器来找到对有效折射率的扰动。根据本发明的一些应用，使用了COMSOL Multiphysics，并且对于TE模式和TM模式，都对波导20进行了分析，并对有二氧化硅外包层而没有BCB外包层的波导进行了分析。对于波长λ＝1540nm，对于二氧化硅外包层，由TM模式和TE模式获得的值分别为neff＝1.78和neff＝2.46，以及对于BCB外包层，由TM模式和TE模式获得的值分别为neff＝1.84和neff＝2.47(波导20，图1)。
现在参考图2A-B，其显示了根据本发明的一些应用的对于TE(图2A)和TM(图2B)模式的波导20的电场，|E|，的大小。
现在参考图3，其是利用根据本发明的一些应用的图1的波导20的包括干涉仪30的干涉仪超声检测系统的示意性说明。将波导20与具有硅芯和二氧化硅外包层(没有透明聚合物外包层)的波导进行比较。
在图3中所示的实验设置中，对于每个极化，将具有不同外包层材料(即，波导20和具有二氧化硅外包层而没有BCB外包层)的每个检查的硅波导连接至Mach-Zehnder干涉仪30的两个臂并浸没在水浴中。对于每个极化，构建Mach-Zehnder干涉仪，其中在每个干涉仪臂中，连接具有不同外包层材料(如图1中的BCB，或二氧化硅)的硅芯波导。超声换能器80被用于产生仅撞击在硅芯波导之一上的声波，硅芯波导被分开超过10cm。干涉仪包括被调谐至λ＝1540nm的连续波长激光器40(AP3350A,Apex Technologies)，平衡的光检测器(PDB450C,Thorlabs)，和纤维拉伸器，其中干涉仪中的所有部件使用极化保持纤维。使用连接至纤维拉伸器和光检测器的回馈电路将干涉仪锁定至正交点。由直径12.7mm，焦距25.76mm和中心频率15MHz的圆柱聚焦的超声换能器80(V319,Olympus)产生声波，该换能器被连接至电脉冲器。在每个测量中，仅撞击在波导之一上的声波和得到的相位变化根据平衡的光检测器的读数确定。为了表征声束，沿换能器的焦点扫描直径40μm，带宽30MHz和校准精度±15％的校准的针式水听器(Precision Acoustics)，以表征产生的声束，在得到焦点中约1.3MPa的最大峰-峰压力，和0.4mm的焦点半峰全宽(FWHM)。
现在参考图4A-B，其显示了根据本发明的一些应用执行的额外的实验设置。在图4A-B中所示的实验设置中，使用圆柱聚焦的US换能器(图3中所示)产生一维上聚焦的超声(US)束102，而对于TE和TM模式，用具有任意类型的外包层的硅波导进行检测(即，相比与具有二氧化硅外包层而没有BCB外包层的波导，用于具有BCB外包层的波导20)，其中极化保持纤维(PMF)被用于将其连接至干涉测量系统，该测量系统测量波导中的US-诱导的相位调制。在图4A-B中没有显示条形波导的基板。在图4A的实验设置中，为了测量灵敏度Sλ，以25.76mm的距离将波导定位在换能器的焦点，其中在x和z方向上进行扫描以将束定位在波导的中心。在图4B的实验设置中，为了评估波导上表面声波(SAW)的作用，将波导定位在距离49mm处换能器的远场中，其中US束的波前在波导的长度内近似是平面的。由于SAW的激发需要约20度的入射角，US束围绕z轴旋转。
在两种声学配置中测量四个硅芯波导中引导的光的相位调制。在第一配置中，在z方向上，声波聚焦在波导的中心，如图4A中所示。在x和z方向上扫描波导，并且记录声束对称居中在波导上的位置时由于超声脉冲的相位调制。为了比较硅波导的响应与纤维的响应，在z方向上约5mm，随后扫描远离硅波导的声束，使得其焦点整个位于光纤上。在第二配置(图4B)中，目标是通过近似平面的声波激发芯片中的SAW，该近似平面的声波以约20°的角度敲击芯片。因此，将芯片移动至距离换能器约49mm处的声束的远场。换能器围绕z轴旋转，法向至芯片(图4B中y轴)产生θ的角度，其中从0至30°执行θ扫描。对于每个角度，在x方向上扫描换能器，以寻找最强信号的位置。
现在参考图5A-B，其是显示在硅波导中由于撞击波导的聚焦的超声脉冲硅波导中测量的光学相移以及从纤维获得的光学相移的图。结果显示了，对于TM(图5A)和TE(图5B)模式两者，与SiO2外包层相比，和来自纤维，根据本发明的一些应用的具有BCB外包层的波导20。在图5A-B，线702代表了BCB外包层的结果，线704代表了SiO2外包层的结果，和线706代表了纤维的结果。
图5A-B显示了响应于对于具有BCB(波导20)和二氧化硅外包层的TM(图5A)和TE(图5B)波导使用图4A的几何结构测量的纵向声波，两个干涉仪臂之间的相差，ΔΦ。波导的响应与超声束聚焦在纤维上时获得的信号(虚线曲线)进行比较。图5A-B中的结果显示了，对于TE模式，与SiO2外包层相比，BCB外包层增强了信号1.41倍，而对于TM模式，实现了4.98的增强。虽然在两种极化中，SiO2-和BCB-涂布的(即，外包层)波导产生具有相同极性的信号，但是由于这两种波导在相同干涉仪(图3)的相对臂上，图5A-B的结果不仅显示了大小增强，还显示了每个波导的单个相位扰动的相反极性。使用方程式(4)和不同配置的有效折射率，对于TE和TM模式，由于BCB包层的S_λ的测量的增强分别为-1.4和-4.82，其中负号与信号的相反极性相关。使用我们的理论模型，并考虑每个波导尺寸中10nm的制造误差，对于TE和TM模式，Sλ增强获得的理论值分别为-1.13±0.27和-3.9±2.3，与实验值的大小良好一致。因为图5A-B显示了，并且根据本发明的一些应用，BCB涂布的硅波导关于光纤的信号增强甚至更高；就Sλ而言，对于TE和TM模式，增强的大小为1.44和9.41，假设在方程式(4)中光纤的neff＝1.47。
为了确定不同波导的响应差异的起因，当〖ε〗_y＝0对S_λ重复数值模拟，而不是方程式5.b，即不考虑芯变形对整体灵敏度的贡献。R被定义为当〖ε〗_y＝0减少的模型的S_λ与方程式5.a-5.d的完整模型的S_λ之间的比。对于TM极化，对于SiO2-和BCB-涂布的波导，获得R＝2.4×10^(-2)和R＝1.27。图5A-B显示了，在SiO2-涂布的TM波导中，响应几乎完全由于芯的变形。相反，并且根据本发明的一些应用，在BCB-涂布的TM波导中，响应大部分是由于透明聚合物外包层的光弹性作用(在该情况中，是BCB)。对于BCB-涂布的波导，R>1的结果显示了，如果没有出现芯变形(〖ε〗_y＝0)，则S_λ本将更高，或可选地，变形的作用在与光弹性作用的相反的方向上起作用，并降低了整体响应。对于TE极化，对于SiO2-和BCB-涂布的波导，获得R＝-0.57和R＝3.6。再次，在BCB-涂布的波导(波导20)中，获得了R>1，通常是由于光弹性作用和波导变形在相反方向上。在SiO2-涂布的波导中，由于对〖ε〗_y＝0的响应具有与总响应相反的符号，所以获得了R<0，指示了，波导变形的贡献在大小上大于光弹性作用的贡献，并且具有相反的符号。
现在参考图6A-B，其是显示与水听器响应相比，由于聚焦的超声脉冲来自硅波导的标准化响应。给出的结果为，根据本发明的一些应用，对于TM(图6A)和TE(图6B)模式两者，与具有BCB外包层(图1的波导20，根据本发明的一些应用)和SiO2外包层的硅波导相比的水听器响应。在图6A-B中，线702代表BCB外包层的结果，线704代表SiO2外包层的结果，和线708代表水听器响应的结果。
在图6A-B中，标准化波导的响应，并将其与从水听器测量获得的响应进行比较。由于水听器的尺寸不同于硅波导的尺寸，所以水听器响应在z方向上以换能器焦点为中心的2毫米扫描长度上进行平均，有效地模拟2毫米长波导所经历的空间平均效应。如图6A-B所示，所有波导的初始双极信号几乎相同，并且表现出与水听器测量的信号相同的曲线。对于TM模式和TE模式，当使用BCB外包层时，减小了伴随的混响。检查图6A-B中t＝17.5μs之后的混响的峰-峰值，获得以下值：0.16(TM-BCB)、0.34(TM-SiO2)、0.16(TE-BCB)、0.5(TE-SiO2)。
由于用硅波导测量的初始双极信号代表在2mm的长度上积分的平均声学信号，因此可以使用水听器测量来量化BCB涂布的波导20的灵敏度Sλ。当换能器焦点处的峰-峰压力为1.3MPa时，2mm长度内的平均信号为0.26MPa，对于BCB-涂布的TM和TE波导分别导致，S_φ＝0.31rad MPa^(-1)和S_φ＝0.055rad MPa^(-1)。使用方程式4并考虑水听器校正精确度，对于BCB-涂布的TM和TE波导，分别获得了S_λ＝(21±3.2)×10^(-6)MPa^(-1)和S_λ＝(2.7±0.41)×10^(-6)MPa^(-1)。
现在参考图7A-B，其显示了根据本发明的一些应用，对于TM(图7A)和TE(图7B)模式，具有BCB外包层(如图1中所示的波导20)和SiO2外包层(而没有BCB外包层)的波导获得的图4B中图解的远场测量的超声诱导相移的测量的峰-峰值。在图7A-B中，线702代表BCB外包层的结果，和线704代表SiO2外包层的结果。
图7A-B显示了在第二声波配置中作为角度的函数获得的峰-峰相位值，其中评估了对SAW的响应(图4B)。显示了对于TM(图7A)和TE(图7B)的BCB或二氧化硅涂布的(即，外包层的)波导芯的结果。在图7A-B中可以看到SAW的作用，因为信号在20度角附近变化很大，如图所示，SAW在TE模式下主导着二氧化硅包层芯片的响应，而TM模式下的响应更温和。对于具有BCB外包层的波导，TM模式对SAW的响应在大小上与二氧化硅包层的芯片的响应相当，而在TE波导中，SAW的作用减小了超过一个数量级。应当注意，尽管在远场中测量的图7A-B中的响应还包括硅芯波导附近纤维中相位扰动的贡献，但响应之间的明显的定性和定量差异可能仅归因于硅波导对SAW的敏感性。
现在参考图8，其是根据本发明的一些应用的波导20的示意性说明，其中显示波导芯202被放置在低折射率基板206上并嵌入在外包层204中。图8显示了波导20缺少图1中所示的额外的硅基板层208。注意到，根据本发明的一些应用的其他类型的波导20的实施是可能的(如，脊形波导和/或空心波导)。
再次参考图1A-8。如图1A-8中所示，发明人通过实验证明，包括特征在于高光弹性系数的透明聚合物的外包层(例如，BCB外包层)可以在对声学混响和SAW的灵敏度和敏感性方面显著提高硅光子波导用于超声检测的能力。
对于纵波，TM模式的Sλ增强约为4.82，TE模式的Sλ增强约为1.4。如所示，考虑了由于声学阻抗失配而引起的包层中的反射和折射的影响。如图所示，BCB对声波传播的影响可以忽略不计，并且对于给定的σ_y值(方程式5.a-5.d)，Sλ的增加可能完全归因于波导光学性质的变化而不是由于声学传播效应而导致σ_y的机械增强。如所示，对于两种极化，BCB涂布的波导的灵敏度主要是由于光弹性作用，其中波导变形的作用具有相反的符号，并因此降低的总体响应。虽然在TM波导中，通过100％×(1-R^(-1))计算出的灵敏度下降相对较小，并且仅等于21％(R＝1.27)，但是在TE波导中，下降非常显著，并且达到72％(R＝3.6)，导致总响应大大减弱。在BCB涂布的TM波导的响应中，较高的光弹性作用的权重可以用其模式的空间分布来解释(图2B)，该模式与BCB外包层的重叠比在TE模式情况下更为显著。应当指出，在SiO2涂布的波导的情况下，总响应主要归因于波导芯结构的变形，导致总响应具有与BCB涂布的波导相反的极性。
尽管本文显示的结果涉及具有法向入射的声波，但是发明人还通过实验研究了声学响应的角度依赖性，以评估SAW的效果。对于SAW，使用BCB外包层导致TE模式响应的大小减小了一个数量级，而对于TM模式，响应的大小没有明显变化。但是，由于它对纵波的灵敏度显著增强，因此BCB涂层也显著降低了TM模式对SAW的相对敏感性。
在所有测量中，由硅波导检测到的初始双极信号都伴随有声学混响，这可以用硅基板与其周围环境之间的阻抗失配进行解释。由于硅中的声速大约为8400m/s，因此在700μm厚的硅基板中，声学往返行程为0.17μs，与通过水听器测量的超声脉冲持续时间相当。因此，由波导直接检测到的脉冲的前沿经历了0.17μs的延迟，之后再次检测到来自硅基板背面的回波，与原始脉冲的后沿重叠。由于这种重叠，混响会在测量信号中连续出现，而不是在孤立的时间点出现。在TE和TM两种波导中，对于外包层使用BCB降低混响的影响，而对于BCB涂布的TM波导，获得最弱的混响效果。可以通过使用类似于压电换能器的具有高声阻抗的额外有损背衬层，或通过将波导下方的硅基板局部减薄至比声波长小得多的厚度，来实现混响效果的进一步降低。
就灵敏度而言，本文所示的BCB涂布的TM波导实现的S_λ大约比聚苯乙烯微环测试的值，13.5×〖10〗^(-6)MPa^(-1)，高50％(结果未显示)。注意，该S_λ是波导的性质，并且不取决于传播长度，从而使得能够在不同配置中使用的波导之间进行有效比较。
根据本发明的一些应用，通过将更多的引导模式暴露于聚合物外包层或使用具有比BCB更高的光弹性系数的外包层材料，可以实现Sλ的进一步增强(超出本文所示)。虽然原则上可以通过暴露硅芯将芯片周围的水用作外包层材料，但是这种方法有一些局限性。首先，就光学透明度而言，水和硅是不相容的材料。虽然由于硅对可见光的不透明性，硅光子器件通常在电信波长下工作，但是对于波长大于1,200nm的水，其吸收系数超过5dB/cm，而在1,550nm下，达到50dB/cm，这阻碍了高Q共振器的生产。其次，暴露硅芯可能会限制传感器需要与组织或体液接触的临床应用。因此，在本发明的一些应用中，使用具有特征在于比BCB的光弹性系数高的材料的外包层。
仍然参考图1A-8。为了充分优化灵敏度和适用性，既需要高水平制造能力，又需要制造中使用的材料的高光弹性系数。本发明的一些应用提供了能够实现微型化而无需在聚合物结构中进行结构制造的配置。在某些应用中，这是通过一种或多种材料特性(例如，材料的高Q因子，高折射率和聚合物的高光弹性系数)的组合来实现的。这样的组合是不是微不足道的，在很大程度上取决于适当的参数选择，这些参数会提高包层材料对特定类型的超声扰动的整体模式的影响。在一些应用中，基于本文描述的概念的组合提供的增益是非BCB外包层波导的至多5倍。
本文描述的声学传感器的潜在优点在于制造的简单性、可重复性和与大规模生产的低成本兼容方面。这种潜在的优势源自本文所述的传感器的制造过程，该过程与CMOS制造技术兼容，而CMOS制造技术是电子行业大规模生产能力的支柱。
注意到，对于一些应用，将以下出版物中描述的技术和设备与本文描述的技术和设备结合在一起：
Rosenthal et al."Embedded ultrasound sensor in a silicon-on-insulatorphotonic platform"Appl.Phys.Lett.104,021116(2014)；和
Ouyang et al."Integrated photonics interferometric interrogator for aring-resonator ultrasound sensor"Vol.27,Issue 16,pp.23408-23421(2019)。
本领域技术人员将理解，本发明不限于以上已经具体示出和描述的内容。而是，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述说明后将想到的现有技术中不存在的其变型和修改。

Claims (43)

1.一种装置，其包括：
声学传感器，其包括光波导，所述光波导包括：
波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有外包层折射率和外包层光弹性系数；
其中所述波导芯折射率大于所述外包层折射率，并且所述外包层光弹性系数大于所述波导芯光弹性系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯折射率是至少1.7。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层折射率小于1.7。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层光弹性系数是至少80TPa-1。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层光弹性系数比所述波导芯光弹性系数大至少四倍。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导芯包括硅。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其进一步包括光源，所述光源布置为使得由所述光源产生并在所述光波导处定向的光学信号由于撞击所述光波导的声波而进行调制。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述光源包括配置为产生激光束的激光器。
13.根据权利要求11所述的装置，其中由所述光源产生的信号以相位进行调制。
14.根据权利要求11所述的装置，其中由所述光源产生的信号以振幅进行调制。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述光波导包括一个或多个光学共振器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述光波导是共振器。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述光波导的最大长度为100微米。
19.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其进一步包括下包层。
20.一种系统，其包括：
光波导，所述光波导包括：
波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有小于所述波导芯折射率的外包层折射率和大于所述波导芯光弹性系数的外包层光弹性系数；
干涉仪，其配置为由激光源产生在所述光波导处定向的激光束，使得激光束传播通过所述光波导，由此通过撞击所述光波导的声波调制所述激光束。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述干涉仪进一步配置为测量声波撞击所述光波导时的调制，以基于测量计算所述光波导的光谱响应的位移，所述位移指示声波的波形。
22.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述光波导包括一个或多个光学共振器。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述光波导是共振器。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述一个或多个光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
25.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述声波是超声声波。
26.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
27.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述波导芯折射率是至少1.7。
28.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述波导芯的光弹性系数的最大量值是20TPa-1。
29.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层折射率小于1.7。
30.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层光弹性系数是至少80TPa-1。
31.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层光弹性系数比所述波导芯光弹性系数大至少四倍。
32.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在10(E)GPa以下。
33.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述外包层的光学透明的聚合物的杨氏模量在5(E)GPa以下。
34.根据权利要求20-21中任一项所述的系统，其中所述波导芯包括硅。
35.一种方法，其包括：
使用光波导，所述光波导包括：
波导芯，其具有波导芯折射率和波导芯光弹性系数；
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物，所述外包层具有小于所述波导芯折射率的外包层折射率和大于所述波导芯光弹性系数的外包层光弹性系数；
当声波撞击所述光波导时在所述光波导处定向激光束，以使所述激光束传播通过所述光波导，使得所述激光束被调制；和
基于测量调制计算所述光波导的光谱响应的位移，其中所述位移指示所述声波的波形。
36.根据权利要求35所述的方法，其中使用所述光波导包括使用具有至少1.7的波导芯折射率和至少80TPa-1的外包层光弹性系数的所述光波导。
37.根据权利要求35所述的方法，进一步包括在所述光波导中提供一个或多个光学共振器，所述光学共振器选自：π相移布拉格光栅(π-BG)、法布里-珀罗腔、和光学环共振器。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述声波是超声声波。
39.根据权利要求35所述的方法，其中使用所述光波导包括使用其中所述外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层的所述光波导。
40.根据权利要求35-39中任一项所述的方法，其中使用所述光波导包括使用其中所述波导芯包括硅的所述光波导。
41.一种装置，其包括：
声学传感器，所述声学传感器包括光波导，所述光波导包括：
硅波导芯；和
外包层，其连接至所述波导芯并且包括光学透明的聚合物。
42.根据权利要求41所述的装置，其中所述外包层包括双苯并环丁烯(BCB)外包层。
43.根据权利要求41所述的装置，其中所述光学透明的聚合物的光弹性系数比所述硅波导芯的光弹性系数大至少四倍。
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