CN114813573A - 基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器 - Google Patents

基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器。包括基于复合材料狭缝波导的微环谐振腔、与微环谐振腔相互耦合的直波导，所述的微环谐振腔分为由正热光系数材料构成的第一环形波导和由负热光系数材料构成的第二环形波导；第一环形波导和第二环形波导同心布置，且之间具有环形的狭缝。本发明充分利用了基于狭缝波导的光传感器高灵敏度的优点，又基于无温漂复合材料结构解决了传统片上环形谐振腔高温漂的缺点，即没有温漂而只对所覆盖的分析物敏感，同时具有加工简单、结构紧凑的特点，能满足片上光传感器的实际需求。

Description

基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器
技术领域
本发明属于传感器领域的一种光传感器，具体涉及一种基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器。
背景技术
5G通讯和物联网技术的迅猛发展，对信息感知技术提出了越来越高的要求。为满足传感器的小尺寸、低能耗、高性能的要求，片上集成光传感器(On-Chip IntegratedPhotonic Sensor)越来越受到关注。特别是能与成熟的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)工艺兼容的硅基光波导传感器，因其具有大规模生产从而能够极大地降低成本的潜力而被重点关注。目前主流的硅基光波导传感器，从波导结构上可分为条形波导型、表面等离子波导型、狭缝波导型和脊形波导型；从传感器结构上可分为法布里珀罗谐振腔(Fabry–Pérot Cavity)型、马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)型、微环谐振腔(Microring Resonator，MRR)型和光子晶体(Photonic Crystal，PhC)型。其中，微环谐振腔因其结构简单、功能丰富、易于扩展而成为硅基片上集成光传感器的主流结构之一。同时，狭缝波导因其能够把光场很强地局域在狭缝里、从而可大大地提高与待测物质的相互作用而被片上集成光传感器研究者所青睐。
然而，无论是基于哪种波导结构的微环谐振腔传感器--基于狭缝波导的也不例外--其主要构成材料大多为硅或氮化硅。前者的热光系数(Thermo-Optic Coefficient，TOC)大约为1.8×10-4/℃，而后者大约为2×10-5/℃。这会使得微环谐振腔受温度的影响非常大，例如基于硅波导的微环谐振腔的温漂约为80pm/℃，而基于氮化硅的约为20pm/℃。如此大的温漂带来的干扰使得片上光传感器的实际应用面临极大的挑战，特别是在分析物质的微量变化时。
目前解决微环谐振腔温漂的方法主要有三种。一种是采用额外的负反馈温控系统来保证芯片恒温。很明显，这种办法增加了传感系统的复杂度，同时也会大大地增加系统能耗。第二种方法在硅或氮化硅波导上覆盖负热光系数材料以补偿光场受温度的影响。很显然，这种办法不适合用于传感器，因为光场无法穿过包覆层与待测物接触。第三种办法是采用传感器阵列，即一部分传感器不与待测物接触以专门表征温度的变化，从而在后端数据处理时去除温度变化的影响。这种方法会使得整个传感器芯片的尺寸变大，而且得到的温度变化也非原位测量，会引入误差。以上这些方法都难以满足实际应用的需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于复合材料狭缝波导，其利用分居于狭缝两侧的正负热光系数材料的共同作用，抵消掉温度变化对光场相位的调控。因此，由该狭缝波导构成的微环谐振腔在保持对被测物高灵敏度响应的同时，可以不受温度变化的影响，进而实现无温漂、高灵敏片上光传感器。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明包括基于复合材料狭缝波导的微环谐振腔、与微环谐振腔相互耦合的直波导，所述的微环谐振腔分为由正热光系数材料构成的第一环形波导和由负热光系数材料构成的第二环形波导。
通常情况下，温度变化会使得微环谐振腔中的光波模式发生变化，进而使得谐振波长发生变化。本发明所设置的由两圈不同热光系数材料构成的微环谐振腔的谐振波长不随着温度的变化而变化，不受温度影响，在不同温度下保持了相同的谐振特性。
所述的第一环形波导和第二环形波导同心布置，且之间具有环形的狭缝。
所述的直波导采用与第一环形波导的正热光系数材料相同的材料。
所述的微环谐振腔和直波导均位于带有光隔离层的硅芯片上。
本发明中，由于狭缝波导中光模式的能量在正热光系数材料和负热光系数材料中均有分布，其总的相位不随温度的变化而变化，即其所构成的微环谐振腔的谐振波长没有温漂，而只对所覆盖的分析物敏感。
本发明具有的有益的效果是：
(1)本发明采用分别具有正负热光系数的材料复合构成狭缝波导，使得狭缝波导中的光模式相位不随温度变化。
(2)基于该狭缝波导的微环谐振腔传感器既能保持狭缝波导的高灵敏度优势，又能避免温漂的干扰。
(3)所提出的无温漂传感器基于片上光子集成技术，容易制作和扩展。
本发明基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器，充分利用了基于狭缝波导的光传感器高灵敏度的优点，又基于无温漂复合材料结构解决了传统片上环形谐振腔高温漂的缺点，同时具有加工简单、结构紧凑的特点，不仅能满足片上光传感器的实际需求，而且具有向其它领域(如光通信)拓展的能力。
附图说明
图1是本发明所涉及的基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器的结构示意图；
图2是基于复合材料的狭缝波导的横截面图；
图3是实施例的微环谐振腔谐振波长随温度变化而漂移的仿真结果图，具体是以富硅氮化硅(Silicon-Rich Nitride，SRN)作为正热光系数材料和二氧化钛(TitaniumDioxide，TiO2)作为负热光系数材料复合构成狭缝波导为样例的微环谐振腔谐振波长随温度的变化；
图中：圆圈表示在某个温度下，微环谐振腔的谐振波长。
图4是实施例的微环谐振腔谐振波长随上包层氯化钠溶液浓度变化而漂移的仿真结果图，具体是以富硅氮化硅(Silicon-Rich Nitride，SRN)作为正热光系数材料和二氧化钛(Titanium Dioxide，TiO2)作为负热光系数材料复合构成狭缝波导为样例的微环谐振腔谐振波长随包覆层氯化钠溶液浓度的变化；
图中：三角表示在某个氯化钠溶液浓度下，微环谐振腔的谐振波长；虚线表示对这些点的线性拟合，其旁边标注了拟合方程。
图1和图2中：I为与微环谐振腔相互耦合的直波导，II为基于复合材料狭缝波导的微环谐振腔，1为由正热光系数材料构成的环形波导，2为由负热光系数材料构成的环形波导，3为气体或液体等被测物质覆盖区域，4为衬底氧化硅光隔离层所在区域，5为衬底硅。
具体实施方式
下面结合附图和基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，包括基于复合材料狭缝波导的微环谐振腔II、与微环谐振腔II相互耦合的条形直波导I，直波导I置于微环谐振腔II旁，光信号从直波导I的一端输入，经与微环谐振腔II的耦合将谐振波长的光信号滤除后耦合回到直波导I，最后从直波导I的另一端输出。
微环谐振腔II分为由正热光系数材料构成的第一环形波导1和由负热光系数材料构成的第二环形波导2。直波导I采用与第一环形波导1的正热光系数材料相同的材料，且为条形结构。
第一环形波导1和第二环形波导2同心布置，且之间具有环形的狭缝。由此使得第一环形波导1和第二环形波导2形成狭缝波导，狭缝波导由复合材料构成，狭缝两侧的波导材料分别具有正热光系数和负热光系数。狭缝尺寸具有非常小的特点，能支持光的狭缝模式。
如图2所示，直波导I和狭缝波导均坐落在带有光隔离层4的硅芯片5上。光隔离层4上方除波导以外的区域为待测基于复合材料狭缝波导的片上无温漂微环谐振腔光传感器物质覆盖区3。其中狭缝也属于区域3，即待测物质会与狭缝中的增强光场充分接触。
在本发明中，宽谱光由耦合直波导Ⅰ输入，经过微环谐振腔II后耦合回直波导Ⅰ输出获得输出谱。
满足微环谐振腔II谐振条件的光会在输出谱上留下一条条波谷，即为谐振波长的位置。这些谐振波长的位置受被测物质折射率变化的影响。同时由于狭缝两侧的材料折射率比狭缝中被测物质的折射率要大很多，故狭缝中有很强的光场，能与被测物质很强地相互作用，使得谐振波长对被测物质的变化很敏感，达到高灵敏度探测的效果。
进一步地，本发明的狭缝波导由复合材料构成，狭缝波导中光模式的光场会同时分布在正热光系数材料和负热光系数材料中，当温度变化时，狭缝光模式总的等效折射率不变，即它的相位不随着温度的变化而变化，从而使得基于该狭缝波导的微环谐振腔的谐振波长不变化，不随着温度的变化而变化，达到无温漂的效果。
本发明的具体实施例及其实施情况如下：
首先采用普通硅片，对其进行氧化得到约2微米厚的二氧化硅光隔离层。二氧化硅在常温下的折射率为1.444，热光系数为0.8×10-5/℃。耦合波导和正热光系数材料均选用富硅氮化硅。通过调节硅的含量，可得到材料在常温下的折射率为2.29，热光系数为2×10-5/℃。负热光系数材料选用二氧化钛，其在常温下的折射率为2.29，热光系数为-1×10-4/℃。在此实施例中，所有波导的高度均为300纳米，考虑波长为1550纳米，波导中传输横电模的基模(Fundamental Transverse-Electric Mode,TE0)。
利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)对结构进行仿真设计，当狭缝波导中富硅氮化硅部分的宽度为453纳米、二氧化钛宽度为300纳米、两者间距即狭缝宽度为100纳米时，谐振环对温度的响应约为0(±4×10-5nm/℃)。
此时上面所覆盖物质为纯水，折射率为1.33。当改变纯水为氯化钠溶液且浓度分别为1％、2％、3％、4％、5％时，谐振波长随浓度的变化可达577皮米每1％浓度变化，如图4所示。
在以上浓度下，温度引起的谐振波长的漂移如图3所示，在10度的范围内均不大于0.4皮米，与被测物质浓度引起的波长漂移相比，可以忽略不计，故可以认为是无温漂的传感器。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于复合材料狭缝波导的无温漂片上光传感器，其特征在于：包括基于复合材料狭缝波导的微环谐振腔(II)、与微环谐振腔(II)相互耦合的直波导(I)，所述的微环谐振腔(II)分为由正热光系数材料构成的第一环形波导(1)和由负热光系数材料构成的第二环形波导(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合材料狭缝波导的无温漂片上光传感器，其特征在于：所述的第一环形波导(1)和第二环形波导(2)同心布置，且之间具有环形的狭缝。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合材料狭缝波导的无温漂片上光传感器，其特征在于：所述的直波导(I)采用与第一环形波导(1)的正热光系数材料相同的材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合材料狭缝波导的无温漂片上光传感器，其特征在于：所述的微环谐振腔(II)和直波导(I)均位于带有光隔离层(4)的硅芯片(5)上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116045954A (zh) * 2023-03-31 2023-05-02 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 光学陀螺用混合谐振腔及光学陀螺

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