CN216283567U - 一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，包括双模谐振腔、折射率调控层、电极、耦合器、单波长激光器、光电探测器、波导、绝缘层和衬底层；所述的折射率调控层位于双模谐振腔上方，所述的绝缘层和衬底层从上到下依次位于双模谐振腔下方，所述的波导与双模谐振腔位于同一层，用于实现对双模谐振腔的光场耦合；所述的电极设置有两个，其中一个位于波导上，另一个位于折射率调控层上，用于实现对折射率调控层的外电场调控；所述的耦合器置于波导的两端，用于实现光场耦合，所述的单色激光器和光电探测器分别连接耦合器。该传感器克服了传感测量中难以避免的交叉敏感现象，利用单波长测量双模谐振腔进而实现双参量测量。

Description

一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器

技术领域

本实用新型涉及集成光学技术领域，具体涉及一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器。

背景技术

近年来，硅光子学受到了广泛的关注，被广泛研究并应用于片上气体和生物化学分子传感检测。其中，微环谐振腔具有结构紧凑、制造容差大、可实现器件阵列复用等优点，是硅基传感应用中最常用的器件之一。微环谐振腔的谐振波长随环境条件改变而发生偏移，对于折射率传感应用，温度波动是难以避免的交叉敏感现象，会导致所测量的折射率产生较大偏差。为了解决上述双参量交叉敏感的问题，研究人员进行了大量的研究。

在论文方面，2008年芬兰赫尔辛基大学M.Koskenvuo等人研究了基于体声模式微谐振腔的两种振动模式的温度测量和补偿(IEEE 21st International Conference onMicro Electro Mechanical Systems，10，1109，2008)，提出了一种通过测量两种不同模式下的频移来检测微机械谐振腔温度的方法。两种模式具有不同的频率温度系数，因此，通过测量两种振动模式的频率变化，可以精确测量谐振腔温度，消除了由于加热和冷却传感器和谐振腔而产生的温度影响并对其进行了补偿。2012年，英国剑桥大学L.Garcia-Gancedo等人研究了双模薄膜体声波谐振腔(Biosensors and Bioelectronics，38，369-374,2012)，用于温度和质量负载的并行传感，通过同时监视两种模式，可以区分共振频率的变化是由于质量负荷还是温度变化，从而实现在测量重量时，消除温度对其产生的影响。2018年，英国诺森比亚大学A.K.Mallik 等人研究了用于多参数传感应用的耳语画廊模式微谐振腔(Optics Express，26，31829-31838， 2018)，提出了一种可同时测量空气中氨蒸气浓度和相对湿度的新型光纤传感结构，并进行了实验验证，该系统包括两个涂有不同聚合物层的二氧化硅耳语画廊模式微球谐振腔。然而，上述研究均采用波长扫描的方式进行双参量测量。

在专利方面，2014年，天津理工大学童峥嵘等人研究了一种双参量光纤传感器及其测量方法，其输出信号包含不同模式间干涉形成的干涉峰，利用两种干涉峰对温度和曲率的不同敏感特性，结合双波长矩阵即可实现温度和曲率的双参量测量，并申请了中国专利 (201410555938.x)。2018年，天津大学张平等人设计了一种可实现双传感应用的微环谐振腔结构，其中，微环谐振腔的结构能够同时测量周围折射率的变化以及谐振腔所受载荷的大小，可以得到折射率或者压力单一因素变化对谐振波长偏移的影响，可应用于光子器件的生物传感，并申请了中国专利(201810286602.6)。2018年，天津大学江俊峰等人设计了复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法，实现了折射率和温度双参量的同时测量，结构简单、降低了计算量，兼具了传统长周期光栅高折射率灵敏度的优点和倾斜光栅高温度灵敏度的优点，并申请了中国专利(201811638117.7)。然而，上述专利均未采用单波长激光测量双模微环谐振腔的方式实现双参量传感。

综上所述，虽然双模谐振腔和双参量测量方法在传感方面的应用已经被广泛地研究，然而均采用较为昂贵的可调谐激光器，通过波长扫描的方式进行双模谐振腔的测量和传感检测，不利于传感器的单片集成应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，包括双模谐振腔、折射率调控层、电极、耦合器、单波长激光器、光电探测器、波导、绝缘层和衬底层；所述的折射率调控层位于双模谐振腔上方，所述的绝缘层和衬底层从上到下依次位于双模谐振腔下方，所述双模谐振腔与波导位于同一层且位于波导的一侧，用于实现对双模谐振腔的光场耦合；所述的电极设置有两个，其中一个位于波导上，另一个位于折射率调控层上，用于实现对折射率调控层的外电场调控，所述的耦合器设置于波导的两端，用于实现光场耦合，所述的单波长激光器和光电探测器分别与波导两端的耦合器连接。

进一步的，所述的双模谐振腔是微环谐振腔、微盘谐振腔、光子晶体谐振腔中的任意一种。

进一步的，双参量是指折射率、温度、湿度、压力、电磁场、声振动中的任意两种。

进一步的，所述的耦合器为端面耦合器或光栅耦合器。折射率调控层可以是通过调控材料的温度、相变或能带特性实现对介电常数的改变。

进一步的，双模谐振腔和波导的材料是由硅、锗、硅锗混合物、氮化硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂中的一种构成。

通过外加电场改变所述的折射率调控层的介电常数，从而移动双模谐振腔的两个模式的谐振波长，并在所述的单波长激光器的波长下采样；利用双参量对两个模式谐振波长影响的差异，得到两个模式谐振波长关于两个待测参量的线性方程，通过求解方程，实现双参量测量的片上检测。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1.本实用新型提出的传感器测量误差小。利用双参量对两个模式谐振波长影响的差异，实现双参量的同时测量，分离双参量的影响。该项技术大大减小了测量误差，克服了传统片上传感器中的交叉敏感现象。

2.本实用新型提出的传感器更利于小型化、集成化应用。采用单波长激光器和探测器实现对谐振器件的测试，无需波长精确调节的可调谐激光器，大大降低了传感器单片集成的难度和成本，利于实现传感器的小型化、集成化。

3.本实用新型提出的传感器能实现低能耗、高速的测量。通过调节外加电场，调控材料的温度、相变或能带等特性，从而片上微型谐振腔的谐振波长，所需的能耗和产生的热量较低，并可实现高速的测量及传感应用。

4.本实用新型提出的传感器的制作工艺与现有的CMOS工艺兼容，实现器件的大规模量产。

附图说明

图1为本实用新型提出的双参量测量的单波长双模谐振片上传感器结构图。

图2a至图2d为本实用新型所提出的TE₀和TE₁模式的波导折射率分别与温度和折射率的关系图。

图3a至图3e为本实用新型具体实施例1中，环境设置为290K，n＝1时，石墨烯费米能级为0.34、0.37、0.40、0.43、0.46eV的情况下微环谐振腔TE₀模式的归一化透射谱。

图4a至图4e为本实用新型具体实施例1，环境设置为290K，n＝1时，中石墨烯费米能级为0.40、0.43、0.46、0.49、0.52eV的情况下微环谐振腔TE₁模式的归一化透射谱。

图5为本实用新型具体实施例1中，环境设置为290K，n＝1时，分别拟合得到的TE₀和TE₁模式在费米能级域中的特性曲线。

图6为本实用新型具体实施例1，环境设置为291K，n＝1.01时，中分别拟合得到的TE₀和TE₁模式在费米能级域中的特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型提出一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，包括双模谐振腔1、折射率调控层2、电极3、耦合器4、单波长激光器5、光电探测器6、波导7、绝缘层8和衬底层9；折射率调控层2采用石墨烯；折射率调控层2位于双模谐振腔1上方，绝缘层8和衬底层9从上到下依次位于双模谐振腔1下方，波导7与双模谐振腔1位于同一层，用于实现对双模谐振腔1的光场耦合；电极3设置有两个，其中一个位于波导7上，另一个位于折射率调控层2上，用于实现对折射率调控层2的外电场调控；耦合器4置于波导 7的两端，用于实现光场耦合，单色激光器5和光电探测器6分别连接耦合器4。

上述传感器克服了传感测量中难以避免的交叉敏感现象，利用单波长测量双模谐振腔进而实现双参量测量。具体方法如下：将双模微环谐振腔制作于绝缘体-硅晶圆上。TE₀和TE₁模式均可从波导耦合进入微环谐振腔，并同时在微环中发生谐振。将石墨烯集成在波导的表面，石墨烯可以通过倏逝场耦合与波导中的光发生强烈作用，通过外部电场来调节石墨烯的费米能级，进而影响波导中光的相位变化，从而实现调节TE₀和TE₁模式的共振波长。利用单波长激光器和光电探测器，可以表征设备中的谐振波长偏移。因此，可以在给定波长下获得费米能级域中TE₀和TE₁模式的特性曲线。此外，由于折射率和温度变化都可以引入谐振波长的变化，因此费米能级域中TE₀模式(ΔF₀)和TE₁模式(ΔF₁)的谐振偏移可以用线性方程表示。如果TE₀和TE₁模式对折射率和温度的变化具有线性不相关性，则可以通过求解线性方程来得到折射率变化(Δn)和温度变化(ΔT)。具体公式推导如下，折射率和温度均可以改变TE₀和TE₁模的有效折射率，进而影响其n阶谐振波长(

和

)，计算公式如下：

其中，K_0T(K_1T)和K_0n(K_1n)是TE₀(TE₁)模式下关于温度和折射率的灵敏系数，dT和dn是温度和折射率各自的变化。如果K_0TK_1n≠K_0nK_1T，则式(1)存在唯一解，即温度和折射率变化可以通过下面的公式分别计算得到：

对于n阶谐振波长，存在下述公式：

其中，L是微环谐振腔的长度，n_eff是石墨烯硅基波导的有效折射率。对式(3)进行关于石墨烯费米能级的推导，可得到：

因此，将式(4)带入式(2)中，可以得到：

进一步的，通过对温度和折射率的求导，得到下列关系式：

如果K_0TK_1n≠K_0nK_1T，根据式(5)-(9)，可以计算得到

进而得到温度和折射率分别的变化程度(dT anddn)。

实施例1

如图1所示的一种石墨烯-硅基波导，其结构参数如下：绝缘体-硅晶圆具有340nm厚的顶部硅层和2μm厚的氧化埋层，波导为脊状波导，波导宽度为1.5μm，刻蚀深度为240nm。根据理论计算，上述波导结构可以支持2.7μm波长中红外光的TE₀和TE₁模式的传播。在具体实施例1中，利用半径为25μm的微环谐振腔，氧化铝绝缘包层的厚度为50nm，微环谐振腔的耦合系数为0.98。利用有限元仿真的方式得到了不同温度和折射率下石墨烯硅基波导 TE₀和TE₁模式的有效折射率，如图2a至图2d所示，波导TE₀和TE₁模式的有效折射率与温度和折射率具有线性关系，根据仿真计算得到

和

的值分别为 1.72036×10^-4,1.77986×10^-4,3.606×10^-2和5.28×10^-2。进而得到 K_0TK_1n-K_0nK_1T＝3.474055×10^-6≠0，因此对于公式(1)存在唯一解，变化的温度和折射率可通过方程求解。

对于TE₀模式，通过外加电场调整石墨烯的费米能级，分别取值为0.34eV，0.37eV，0.40 eV，0.43eV，0.46eV。在290K,n＝1的环境设置下，在2.70461μm的波长处进行采样，如图3a至图3e虚线所示。对于TE₁模式，通过外加电场调整石墨烯的费米能级，分别取值为0.40eV，0.43eV，0.46eV，0.49eV，0.52eV。在290K,n＝1的环境设置下，在2.70461μm 的波长处进行采样，如图4a至图4e虚线所示。采样后的结果利用洛伦兹函数进行拟合，得到费米能级域中TE₀和TE₁模式的特性曲线，如图5所示。同理，在291K,n＝1.01的环境设置下，在2.70461μm的波长处进行采样，采样后的结果利用洛伦兹函数进行拟合，得到费米能级域中TE₀和TE₁模式的特性曲线，如图6所示。根据两种环境下拟合得到的TE₀和TE₁曲线的偏移，可以得到谐振处费米能级的变化为0.097eV和0.0132eV，分别为公式(5)中的

和

在两种环境设置下得到TE₀和TE₁曲线在费米能级域中的偏移，根据公式(5)可以分别计算得到折射率和环境温度的变化。计算结果表明，实施例1中折射率变化为0.0098，与设置的折射率变化0.01相比较，计算结果的相对误差为2％；计算结果中温度变化为1.0563K，与设置的温度变化1K相比较，计算结果的相对误差为5.63％。因此，利用该方法实现了折射率和温度的双参量分离计算。

实施例2

如图1所示的一种石墨烯-硅基波导，其结构参数如下：绝缘体-硅晶圆具有340nm厚的顶部硅层和2μm厚的氧化埋层，波导为脊状波导，波导宽度为1.5μm，刻蚀深度为240nm。根据理论计算，上述波导结构可以支持2.7μm波长中红外光的TE₀和TE₁模式的传播。在具体实施例2中，利用半径为25μm的微环谐振腔，氧化铝绝缘包层的厚度为50nm，微环谐振腔的耦合系数为0.98。利用有限元仿真的方式得到了不同温度和折射率下石墨烯硅基波导 TE₀和TE₁模式的有效折射率，如图2a至图2d所示，波导TE₀和TE₁模式的有效折射率与温度和折射率具有线性关系，根据仿真计算得到

和

的值分别为 1.72036×10^-4,1.77986×10^-4,3.606×10^-2和5.28×10^-2。进而得到K_0TK_1n-K_0nK_1T＝3.474055×10^-6≠0，因此对于公式(1)存在唯一解，变化的温度和折射率可通过方程求解。

对于TE₀模式，通过外加电场调整石墨烯的费米能级，分别取值为0.34eV，0.37eV，0.40 eV，0.43eV，0.46eV。在290K,n＝1.01的环境设置下，在2.70461μm的波长处进行采样。对于TE₁模式，通过外加电场调整石墨烯的费米能级，分别取值为0.40eV，0.43eV，0.46eV，0.49eV，0.52eV。在290K,n＝1.01的环境设置下，在2.70461μm的波长处进行采样。采样后的结果利用洛伦兹函数进行拟合，得到费米能级域中TE₀和TE₁模式的特性曲线。同理，在291K,n＝1的环境设置下，在2.70461μm的波长处进行采样，采样后的结果利用洛伦兹函数进行拟合，得到费米能级域中TE₀和TE₁模式的特性曲线。根据两种环境下拟合得到的TE₀和TE₁曲线的偏移，可以得到谐振处费米能级的变化为0.0324eV和0.0625eV，分别为公式 (5)中的

和

在两种环境设置下得到TE₀和TE₁曲线在费米能级域中的偏移，根据公式(5)可以分别计算得到折射率和环境温度的变化。计算结果表明，实施例2中折射率变化为-0.0097，与设置的折射率变化-0.01相比较，计算结果的相对误差为3％；计算得到的温度变化为0.9954K，与设置的温度变化1K相比较，计算结果的相对误差为0.46％。因此，利用该方法实现了折射率和温度的双参量分离计算。

最后，上述实施例的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，其特征在于，包括双模谐振腔(1)、折射率调控层(2)、电极(3)、耦合器(4)、单波长激光器(5)、光电探测器(6)、波导(7)、绝缘层(8)和衬底层(9)；所述的折射率调控层(2)位于双模谐振腔(1)上方，所述的绝缘层(8)和衬底层(9)从上到下依次位于双模谐振腔(1)下方，所述双模谐振腔(1)与波导(7)位于同一层且位于波导(7)的一侧；所述的电极(3)设置有两个，其中一个位于波导(7)上，另一个位于折射率调控层(2)上，用于实现对折射率调控层(2)的外电场调控；所述的耦合器(4)设置于波导(7)的两端，用于实现光场耦合，所述的单波长激光器(5)和光电探测器(6)分别与波导(7)两端的耦合器(4)连接。

2.根据权利要求1所述一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，其特征在于，所述的双模谐振腔(1)是微环谐振腔、微盘谐振腔、光子晶体谐振腔中的任意一种。

3.根据权利要求1所述一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，其特征在于，双参量是指折射率、温度、湿度、压力、电磁场、声振动中的任意两种。

4.根据权利要求1所述一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，其特征在于，所述的耦合器(4)为端面耦合器或光栅耦合器。

5.根据权利要求1所述一种用于双参量测量的单波长双模谐振片上传感器，其特征在于，所述的双模谐振腔(1)和波导(7)的材料是由硅、锗、氮化硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂中的一种构成。

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