CN113358238B - 基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器 - Google Patents
基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，包括绝缘硅基底和设置在绝缘硅基底上的微环硅波导。微环硅波导由2条直硅波导、1条圆形硅波导和1条跑道形硅波导组成。绝缘硅基底由下层的硅基底和上层的二氧化硅基底叠加而成。本发明具有体积小、抗干扰能力强、功耗低、灵敏度高等特点，在一定程度上解决当前片上温度传感器较高灵敏度和较小尺寸不能共存的问题，在片上系统温度检测领域有较大的研究价值和应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学和片上温度传感器技术领域，具体涉及一种基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器。
背景技术
近几年，集成电路产业迅猛发展，技术的进步和特征尺寸的缩小使得互联线间距越来越小和集成度越来越高，导致功率密度变得更加难以管理，温度就成了芯片优化的重要问题。探索散热方法的同时，在芯片上集成温度传感器，用来准确的感测系统或者单一芯片的温度也是非常重要的。目前，许多光学传感器被应用到片上温度检测中，与传统电气传感器相比，光学传感器具有抗电磁干扰能力强，分辨率高，体积小，易于集成等优点，并且广泛被应用到传感检测中。在光学传感中，传感结构有许多选择，比如光子晶体、布拉格光栅、槽波导、Mach-Zehnder干涉仪、微环谐振器等，其中微环谐振器的结构设计紧凑，具有高灵敏度和选择性，能够利用现有的SOI等工艺实现，更适合在片上系统进行传感检测，受到众多研究者的青睐。但是，从当前已经报道的基于微环谐振器的片上温度传感器可以看出，其在获得较高灵敏度的同时会带来较大的结构尺寸，灵敏度和结构尺寸不能同时得到兼顾的。
发明内容
本发明所要解决的是现有基于微环谐振器的片上温度传感器不能同时满足高灵敏度和小尺寸要求的问题，提供一种基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，包括片上温度传感器本体，该片上温度传感器本体包括绝缘硅基底和设置在绝缘硅基底上的微环硅波导；微环硅波导由2条直硅波导、1条圆形硅波导和1条跑道形硅波导组成；2条直硅波导呈横向设置，且2条直硅波导相互平行；圆形硅波导位于2条直硅波导之间，且靠近上方的直硅波导；跑道形硅波导位于2条直硅波导之间，且靠近下方的直硅波导；跑道形硅波导呈横向设置，即跑道形硅波导的半圆跑道部分位于左右两侧，跑道形硅波导的直线跑道部分位于上下两侧；跑道形硅波导的上下两侧直线跑道部分与直硅波导平行；圆形硅波导的圆心与跑道形硅波导的左侧的半圆跑道部分的圆心的连线与2条直硅波导垂直；上方的直硅波导的左端形成片上温度传感器本体的光波输入端，上方的直硅波导的右端和下方的直硅波导的左端悬置，下方的直硅波导的右端形成片上温度传感器本体的光波输出端。
上述方案中，绝缘硅基底由下层的硅基底和上层的二氧化硅基底叠加而成。
上述方案中，2条直硅波导、1条圆形硅波导和1条跑道形硅波导的线宽相同，且高度相等。
上述方案中，圆环硅波导必须满足的谐振方程为：
2πR1neff＝m1λ
式中，R1为圆环硅波导的半径；neff为波导有效折射率；m1为设定的圆环硅波的谐振级数；λ为光波波长。
上述方案中，跑道形硅波导必须满足的谐振方程为：
(2πR2+2d)neff＝m2λ
式中，R2为跑道形硅波导中半圆跑道部分的半径，d为跑道形硅波导中一条直跑道部分的长度；neff为波导有效折射率；m2为设定的跑道形硅波导的谐振级数；λ为光波波长。
上述方案中，跑道形硅波导左右两侧的半圆跑道部分的半径与圆形硅波导的半径相同。
与现有技术相比，本发明具有体积小、抗干扰能力强、功耗低、灵敏度高等特点，在一定程度上解决当前片上温度传感器较高灵敏度和较小尺寸不能共存的问题，在片上系统温度检测领域有较大的研究价值和应用潜力。
附图说明
图1是基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器的结构立体结构示意图。
图2是波导耦合区的示意图。
图3是波长为1.5-1.6μm，25℃时微环传感器输出光谱图。
图4是波长为1.5-1.6μm时不同温度下微环传感器输出光谱图。
图5是波长为1.52μm到1.55μm不同温度下输出光谱放大图。
图6是不同温度下透射光谱的偏移。
图7是自由光谱范围(FSR)。
图中标号：1-1、硅基底；1-2、二氧化硅基底；2-1、直硅波导；2-2、圆形硅波导；2-3、跑道形硅波导。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，该温度传感器由绝缘硅基底和微环硅波导两部分组成。微环硅波导设置在绝缘硅基底上。绝缘硅基底由下层的硅基底1-1和上层的二氧化硅基底1-2叠加而成。在本实施例中，绝缘硅基底为40μm高的硅基底1-1和4μm高的二氧化硅基底1-2。微环硅波导由2条直硅波导2-1、1条圆形硅波导2-2和1条跑道形硅波导2-3组成。2条直硅波导2-1、1条圆形硅波导2-2和1条跑道形硅波导2-3的线宽相同，且高度相等。在本实施例中，2条直硅波导2-1、1条圆形硅波导2-2和1条跑道形硅波导2-3的线宽为0.475μm，高度为0.18μm。硅基底1-1和微环硅波导均为Si材料制成，二氧化硅基底1-2为SiO2材料制成。Si材料折射率取3.475，SiO2材料的折射率取1.44。
2条直硅波导2-1呈横向设置，且2条直硅波导2-1相互平行。圆形硅波导2-2位于2条直硅波导2-1之间，且靠近上方的直硅波导2-1。跑道形硅波导2-3位于2条直硅波导2-1之间，且靠近下方的直硅波导2-1。在本实例中，上方的直硅波导2-1与圆形硅波导2-2之间的间隙、圆形硅波导2-2与跑道形硅波导2-3之间的间隙、以及跑道形硅波导2-3与下方的直硅波导2-1之间的间隙均为0.1μm。跑道形硅波导2-3呈横向设置，即跑道形硅波导2-3的半圆跑道部分位于左右两侧，跑道形硅波导2-3的直线跑道部分位于上下两侧。跑道形硅波导2-3的上下两侧直线跑道部分与直硅波导2-1平行。圆形硅波导2-2的圆心与跑道形硅波导2-3的左侧的半圆跑道部分的圆心的连线与2条直硅波导2-1垂直。跑道形硅波导2-3左右两侧的半圆跑道部分的半径与圆形硅波导2-2的半径相同。在本实施例中，跑道形硅波导2-3左右两侧的半圆跑道部分的半径与圆形硅波导2-2的半径为3.1μm。圆形硅波导2-2的2条直线跑道部分的长度均为9.734μm。
圆环硅波导必须满足谐振方程为：
2πR1neff＝m1λ (1)
式中，R1为圆环硅波导的半径；neff为波导有效折射率，m1为圆环硅波的谐振级数，谐振级数为设定的常量整数，其根据圆环硅波导的周长而定，也就是说等式左边的数值要等于波长的m1倍，是一个常量；λ为光波波长，在本实施例中，光波长为1.55μm。
跑道形硅波导2-3必须满足谐振方程为：
2πR2+2dneff＝m2λ (2)
式中，R2为跑道形硅波导2-3中半圆跑道部分的半径，d为跑道形硅波导2-3中一条直跑道部分的长度；neff为波导有效折射率，m2为跑道形硅波导2-3的谐振级数，谐振级数为设定的常量整数，其根据跑道形硅波导2-3的周长而定，也就是说等式左边的数值要等于波长的m2倍，是一个常量；λ为光波波长，在本实施例中，光波长为1.55μm。
上方的直硅波导2-1的左端形成片上温度传感器本体的光波输入端，上方的直硅波导2-1的右端和下方的直硅波导2-1的左端悬置，下方的直硅波导2-1的右端形成片上温度传感器本体的光波输出端。基于微环谐振器的片上温度传感器的原理是通过测量在固定波长下由于温度变化而引起的共振波长漂移来实现温度的测量。使用时，将片上温度传感器放置在测试电路上，将片上温度传感器的光波输入端和光波输出端与光谱仪连接，通过光谱仪测量光在微环硅波导中谐振后输出光谱的偏移来感知环境温度的变化，并根据变化量计算集成电路环境的温度。当电路中温度升高时，微环硅波导的有效折射率因为波导材料的热光效应发生变化，使得片上温度传感器在不同温度下输出的光谱发生不同程度的偏移。除了热光效应，热膨胀效应也会影响片上温度传感器输出光谱的偏移。虽然微环硅波导的周长会因为受热膨胀而发生变化，但是因为本实施例的微环硅波导结构较小(微环谐振器的半径仅为3.1μm，跑道型波导的弯曲半径也是仅有3.1μm)所以热膨胀引起的微环硅波导周长变化和传感器输出端光谱的变化非常小，可以忽略不计。
基于微环谐振器的片上温度传感器的硅微环材料在热光效应下的有效折射率可以按下式计算：
neff＝n[1+C1T-T0] (3)
其中，n是常温下波导折射率，在本实施例中，n为Si材料折射率取3.475；C1是微环硅波导的热光系数，T为监测温度，T0为常温温度，本文中热光系数为1.86×10-4/℃。
根据耦合模理论和传输矩阵法，建立片上温度传感器的微环硅波导级联温度传感器的数学模型。如图2所示，上方的直硅波导2-1与圆形硅波导2-2之间的间隙形成第一耦合区a，圆形硅波导2-2与跑道形硅波导2-3之间的间隙形成第二耦合区b，跑道形硅波导2-3与下方的直硅波导2-1之间的间隙形成第三耦合区c。
微环硅波导耦合时，由于两个波导之间的距离各不相同，所以在波导上不同点的耦合系数也各不相同。我们在分析环形波导与直硅波导2-1或者环形波导与环形波导的振幅耦合时将环形波导的耦合区分成多个小段进行分析。因为将环形波导的耦合区分成的耦合分析小段都很小，所以我们将两端耦合波导之间的距离设置为常数，从而可以将弯曲耦合等效为定向耦合。由此可以得出定向耦合的耦合模方程为：
其中，δ是相位失配因子，2δ＝[(β2-β1)+(M2-M1)]，M1、M2是耦合区内两个波导的自耦合系数，K12、K21是两个波导间的耦合系数，并且有本发明的片上温度传感器的波导均为硅材料，即耦合区内两个波导参数相同，有β1＝β2＝β，M1＝M2＝M，K12＝K21＝K，因此δ＝0。则在分段耦合中第i小段的耦合模方程为
将(6)、(7)式进行求导、计算后可以得到两个波导的模式耦合矩阵方程
由此式可得出波导的耦合方程为
其中，有k2+t2＝1。
对于图2传感器波导结构中，对于第一耦合区a中的直硅波导2-1与圆形硅波导2-2之间的耦合，波导中传输的光信号之间的夹角θ＝0，则波导耦合的耦合系数为K(z)；对于第二耦合区b中的圆形硅波导2-2与跑道形硅波导2-3之间的耦合，波导中两个光信号之间的夹角是两个光信号倾斜角之和，即θ＝θ1+θ2≠0，由此可以得到它的波导耦合系数：K(z)＝K||(z)·cosθ1·cosθ2，其中K||是波导的平行耦合系数；对于耦合区c中的跑道形硅波导2-3与直硅波导2-1之间的耦合，因为两个波导之间靠得比较近，当跑道形硅波导2-3中光波发生变化时，通信直硅波导2-1中会引起扰动，两个模之间便开始发生耦合，耦合方程为
其中，Kab、Kba为两波导的耦合系数，βa、βb为传播常数，Ma、Mb为：
光谱仪的入射光波长为1.5-1.6μm，经过实验仿真得到25℃和不同温度环境下(25℃-100℃)，片上温度传感器的输出光谱如图3、图4所示，在这一波段内能够明显看到两个透射区域，每个透射区域都能够明显看到多个透射峰，其中每两个透射峰之间的温度差为5℃，另外在波长为1.5μm的地方还有部分透射峰存在。图5为透射峰在1.52μm到1.55μm波段内的共振波长所在峰的放大图。从这两个图可以明显看出，随着温度的不断增大透射峰均出现了偏移，经过测量计算，在每次温度升高5℃时共振波长透射峰均得到500pm左右的偏移，即本发明的温度传感器在片上系统测温传感中得到100pm/℃的传感灵敏度。如图6是在1.52μm到1.55μm波段内共振波长偏移随温度变化的折线图，从图中共振波长变化的折线图中可以看出所测温度内波长偏移几乎呈线性变化，即在此温度范围内温度传感器具有较好的线性度，也可以看出微环谐振器在温度传感方面有比较明显特征。图7为微环谐振器传感器的自由光谱范围，经过计算可以得出这个微环传感器的自由光谱范围达到39.25nm，根据前面测量得到的100pm/℃传感灵敏度，此传感器的测量范围达到392.5℃。
本发明的片上温度传感器由一个半径为3.1μm的小尺寸圆形波导和一个弯曲半径相同的跑道形硅波导2-3级联而成，传感器总面积为0.35×10-3mm2，传感器尺寸小。该传感器得到了100pm/℃传感灵敏度，突破了单微环灵敏度83pm/℃的限制；自由光谱范围(FSR)为39.25nm，分辨率为0.47℃，提高了温度测量范围，获得了较好的分辨率。综上所诉，该传感器结构尺寸小、灵敏度高、测量范围较大、分辨率更好。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，包括片上温度传感器本体，其特征是，该片上温度传感器本体包括绝缘硅基底和设置在绝缘硅基底上的微环硅波导；微环硅波导由2条直硅波导（2-1）、1条圆形硅波导（2-2）和1条跑道形硅波导（2-3）组成；2条直硅波导（2-1）呈横向设置，且2条直硅波导（2-1）相互平行；圆形硅波导（2-2）位于2条直硅波导（2-1）之间，且靠近上方的直硅波导（2-1）；跑道形硅波导（2-3）位于2条直硅波导（2-1）之间，且靠近下方的直硅波导（2-1）；跑道形硅波导（2-3）呈横向设置，即跑道形硅波导（2-3）的半圆跑道部分位于左右两侧，跑道形硅波导（2-3）的直线跑道部分位于上下两侧；跑道形硅波导（2-3）的上下两侧直线跑道部分与直硅波导（2-1）平行；圆形硅波导（2-2）的圆心与跑道形硅波导（2-3）的左侧的半圆跑道部分的圆心的连线与2条直硅波导（2-1）垂直；上方的直硅波导（2-1）与圆形硅波导（2-2）之间的间隙形成第一耦合区a，圆形硅波导（2-2）与跑道形硅波导（2-3）之间的间隙形成第二耦合区b，跑道形硅波导（2-3）与下方的直硅波导（2-1）之间的间隙形成第三耦合区c；上方的直硅波导（2-1）的左端形成片上温度传感器本体的光波输入端，上方的直硅波导（2-1）的右端和下方的直硅波导（2-1）的左端悬置，下方的直硅波导（2-1）的右端形成片上温度传感器本体的光波输出端。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，其特征是，绝缘硅基底由下层的硅基底（1-1）和上层的二氧化硅基底（1-2）叠加而成。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，其特征是，2条直硅波导（2-1）、1条圆形硅波导（2-2）和1条跑道形硅波导（2-3）的线宽相同，且高度相等。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，其特征是，圆环硅波导必须满足的谐振方程为：
2πR 1 n eff =m 1 λ
式中，R 1为圆环硅波导的半径；n eff 为波导有效折射率；m 1为设定的圆环硅波的谐振级数；λ为光波波长。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，其特征是，跑道形硅波导（2-3）必须满足的谐振方程为：
(2πR 2+2d)n eff =m 2 λ
式中，R 2为跑道形硅波导（2-3）中半圆跑道部分的半径，d为跑道形硅波导（2-3）中一条直跑道部分的长度；n eff 为波导有效折射率；m 2为设定的跑道形硅波导（2-3）的谐振级数；λ为光波波长。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的小尺寸片上温度传感器，其特征是，跑道形硅波导（2-3）左右两侧的半圆跑道部分的半径与圆形硅波导（2-2）的半径相同。
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Application publication date: 20210907 Assignee: Guilin Zhanzhi Measurement and Control Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045853 Denomination of invention: Small size on-chip temperature sensor based on microring resonator Granted publication date: 20230825 License type: Common License Record date: 20231106 |
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