CN218724328U - 片上多功能传感器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种片上多功能传感器，这种传感器包括硅器件层、硅衬底层以及二者之间的氧化硅层；其中硅器件层包括具有输入端的直波导、分束结构以及多个谐振单元，所述分束结构用于将来自所述直波导的光场均匀分束至各谐振单元；所述多个谐振单元均包括具有耦合区的环形波导和耦合波导，并且所述耦合波导具有输出端；所述多个谐振单元中包括一个参考谐振单元和多个传感谐振单元。上述传感器采用基于绝缘体衬底上硅材料的结构，具有顶层单模硅波导，并且经分束器分成多路，每一路波导分别对应一个环形波导，其中每一个环形波导采用不同的材料封装，用于测量多种环境参数，并且通过低敏感度的参考单元提高准确性。

Description

片上多功能传感器

技术领域

本公开涉及光学传感的技术领域，具体地，本公开涉及一种片上多功能传感器。

背景技术

许多光学传感器被应用到片上传感探测中，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。

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、环形波导等；然而，现有基于环形波导的片上集成传感器的研究方向往往集中于灵敏度和系统尺寸方面，忽略了实际应用中对多因素传感的需求，致使其功能单一。而在很多应用场景中，需要传感器对多个因素进行检测，具有单一因素检测能力的传感器就会有一定的局限性。

此外，上述现有技术中的光学传感器还存在传感数据可靠性差的问题，由于片上环形波导的光谱谐振特性或者说系统最终检测的光谱与环境中的许多因素有关，比如温度、介质折射率、磁场强度等，现有技术较少考虑环境中其它因素产生的干扰，而其它因素的存在会直接影响测量精度。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述缺陷，本申请实施例提供了一种片上多功能传感器，这种传感器包括硅器件层、硅衬底层以及二者之间的氧化硅层；

所述硅器件层包括具有输入端的直波导、分束结构以及多个谐振单元，所述分束结构用于将来自所述直波导的光场均匀分束至各谐振单元；

所述多个谐振单元均包括具有耦合区的环形波导和耦合波导，并且所述耦合波导具有输出端；

其中，所述多个谐振单元中包括一个参考谐振单元和多个传感谐振单元。

可选地，所述参考谐振单元具有氧化硅和负热光系数材料构成的封装，能够使所述参考谐振单元因环境影响产生波长漂移的敏感度低于所述多个传感谐振单元。

可选地，所述多个传感谐振单元包括折射率传感单元；所述折射率传感单元中的环形波导能够直接与环境介质接触。

可选地，所述多个传感谐振单元包括温度传感单元；所述温度传感单元具有热敏材料构成的封装。

可选地，所述多个传感谐振单元包括磁场传感单元；所述磁场传感单元具有磁感应材料构成的封装，所述磁感应材料能够基于磁场变化改变环形波导的等效折射率。

可选地，所述磁感应材料为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜，并且以沉积的形式形成于环形波导顶部和/或侧壁。

可选地，所述直波导和所述耦合波导具有一致的截面尺寸。

可选地，所述截面尺寸的宽度小于500nm，高度为220nm至350nm。

可选地，所述多个谐振单元中的环形波导一致地构成，并且所述环形波导与所述直波导具有一致的截面尺寸。

可选地，所述环形波导半径为5μm至50μm。

可选地，所述环形波导周长为所述输入端引入光的波长的整数倍。

可选地，所述氧化硅层厚度大于2μm。

可选地，所述直波导和所述耦合波导平行，并且呈树状设置于所述氧化硅层表面；所述直波导的输入端，与耦合波导的输出端方向相反。

本申请实施例中的技术方案，至少能够实现如下有益效果：

本公开中的技术方案，将多种传感器集成在一起，各传感单元采用统一的半导体工艺，降低了成本，提高了可靠性；并且基于不同的封装形式，可有效实现环境中多个因素的同时测量。

此外，设置有参考单元，由于其受到氧化硅和负热光系数的保护，不容易受到外界环境中热、磁和其它介质材料的干扰，作为其他传感单元的参考基准，可以提高测量的精确程度。

此外，采用硅器件层，具有较高折射率，可以实现很小的器件尺寸，工艺兼容性好，半导体工艺成熟；尤其在近红外波段具有低光学损耗的特性。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的片上多功能传感器结构示意图；

图2为本申请实施例提供的片上多功能传感器系统外延片结构示意图；

图3为本申请实施例提供的片上多功能传感器结构示意图(俯视)；

图4为本申请实施例提供的片上多功能传感器结构示意图(侧视)；

图5为微环谐振器原理示意图。

图中附图标记分别表示：

100硅器件层，200氧化硅层；300硅衬底层；

110直波导，120分束结构；

131耦合波导，132环形波导；

1301参考谐振单元，1302折射率传感单元，1303温度传感单元，1304磁场传感单元。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

片上传感器大多是基于消逝场传感，环境因素影响有效折射率，有效折射率的改变进一步改变输出光信号，然后通过测量输出光信号的改变来实现传感。

上述测量输出光信号的改变有两种方案，一种是测量输出光谱谐振波长的漂移，目前大部分传感器均是采用该方案实现传感，另一种是基于光强，即测量输出光信号强度的改变，这些强度传感器是直接测量输出光强来实现传感，然而，申请人发现，在传感过程中光强会受到外界环境以及噪声的影响，这形成了现有技术中测量结果不准确这一缺陷的成因之一。

本公开实施例的技术思想在于，采用SOI(Silicon on Insulator基于绝缘体衬底上硅材料)结构，具有顶层单模硅波导，并且经分束器分成多路，每一路波导分别对应一个环形波导，其中每一个环形波导采用不同的材料封装，例如，非热敏材料、热敏材料、裸露结构和磁感应材料中的一种或多种，用于测量多种环境参数，并且通过低敏感度的参考单元，提高准确性。

如图2所示，实施例提供的传感器，包括如下基本构型：

硅器件层100、硅衬底层300以及二者之间的氧化硅层200。

在上述的三层结构中，硅器件层100厚度应大于200nm，小于500nm，硅具有很高的折射率，可以实现很小的光子器件尺寸，对通信波段的光场具有很低的传输损耗，工艺兼容性好，半导体工艺成熟；硅在近红外波段具有低光学损耗特性。

氧化硅层200介于硅器件层100和衬底之间，阻止光场泄漏，对光场起到限制作用，厚度在2μm以上。

上述衬底可选硅衬底层300，其本身可以对器件层起到保护和支撑的作用，厚度大于200μm。

整体来说，上述基本构型有以下优点：

(1)高折射率差，对C波段的电磁波具有较强限制能力；

(2)低传输损耗，模式特性和偏振性好；

(3)与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，可直接使用现有的CMOS工艺平台加工；

(4)结构紧凑，波导尺寸和弯曲波导半径可以做到很小，易于大规模集成；

(5)针对市场需求而言，与III-V族材料的光学器件相比，硅基光学器件具有性价比优势。

参见图1，硅器件层100具有呈树状结构的多组光波导，具体包括具有输入端的直波导110、分束结构120以及多个谐振单元。

直波导110，具有光波输入端，用于引入输入光波，该波导具有单模特性，截面尺寸宽度在500nm以内，高度在220nm-350nm之间；

分束结构120用于将来自直波导110的光场均匀分束至各谐振单元；在典型实施例中，分束结构120具有与直波导110相同的厚度参数。

上述的多个谐振单元，均包括具有耦合区的环形波导132和耦合波导131，并且所述耦合波导131具有输出端；在典型实施例中，耦合波导131和环形波导132、直波导110均具有一致的厚度参数。

上述的多个谐振单元，包括一个参考谐振单元和多个传感谐振单元。上述传感谐振单元中的每一个环形波导采用不同的材料封装，例如，非热敏材料、热敏材料、裸露结构(无封装)和磁感应材料中的一种或多种，用于测量多种环境参数，并且通过低敏感度的参考单元，提高准确性。

在优选实施例中，参考谐振单元具有氧化硅和负热光系数材料构成的封装，能够使所述参考谐振单元因环境影响产生波长漂移的敏感度低于所述多个传感谐振单元。

本领域技术人员应认识到，上述的多个谐振单元包括由环形波导132和耦合波导131组成的微环谐振器。如图5所示，环形波导132在单模直线型波导构成的耦合波导131的一侧耦合，具有耦合区。耦合波导131中的输入光场在经过耦合区时光场以消逝波的形式耦合到环形波导132中，并可发生谐振效应，其谐振方程如下：

2πRn_eff＝mλ

光场在微环谐振器中传输时，满足绕环一周的光程等于波长的整数倍时，对应波长的光实现谐振，上式中R为微环半径，n_eff为有效折射率，m为谐振级次。

如图3所示，对于上述实施例中描述的多个谐振单元具体包括：

参考谐振单元1301，在一个典型实施例中，其顶层采用氧化硅+负热光系数材料封装，氧化硅可同时起到保护微环谐振器的作用。由于受到氧化硅和负热光系数的保护，不容易受到外界环境中热、磁和其它介质材料的干扰。

多个传感谐振单元，用于实现多功能的传感。具体的，选自温度传感单元、磁场传感单元、折射率传感单元等。

在一个典型实施例中，如图3所示，包括从参考谐振单元1301起依次排列的折射率传感单元1302，温度传感单元1303以及磁场传感单元1304。

其中的折射率传感单元1302，采用不封装的开口结构，待测液体直接滴加到结构上方，与其中的环形波导132和耦合波导131直接接触，其有效折射率容易受到环境中温度和不同折射率介质的干扰，故可以用于折射率的传感。具体的，通过介质改变微环谐振器的有效折射率，实现微环谐振器谐振波长的漂移，进而根据波长的漂移量计算液体折射率，实现对液体折射率进行传感检测的目的。而温度带来的波长漂移可以通过温度传感单元1303进行补偿。

在可选实施例中，折射率传感单元1302采用跑道型的嵌套双环形波导。嵌套型波导的设计有助于减小整体器件的体积，且外环模式和内环模式之间的次级互耦，可以实现更大的传输陷波深度和更高的灵敏度。

本领域技术人员应认识到，当作为待测介质的折射率改变时，波导中的有效折射率将改变，从而引起输出光谱的变化，通过观察输出光谱波峰波长的改变，可以推测出待测介质的折射率。

其中的温度传感单元1303，顶层采用热敏材料封装，热敏材料可同时起到保护其中微环谐振器的作用。热敏材料对温度比较敏感，同时可以隔绝其它介质材料。

上述温度传感单元1303中的环形波导132在热光效应下的有效折射率可以按下式计算：

n_eff＝n1+C₁(T-T₀)]

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。

由于光子线路本身具有很好的抗电磁干扰特性，正常情况下无法实现对磁场的测量，有鉴于此，实施例提供了磁场传感单元1304，采用磁感应材料进行封装，外界磁场的变化可以很容易实现磁感应材料折射率改变，进而影响微环谐振器的谐振波长，最终可实现对磁场的测量，而温度变化带来的影响可以通过温度传感器进行补偿。其具体原理如下：

当传感器所处外界环境中存在磁场时，磁感应材料的介电常数发生改变，进而使得微环谐振器的有效折射率改变，最终使微环谐振器的谐振峰发生漂移。可利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，得到传感处磁场强度的大小，如下式：

上式中，R为微环半径，m为谐振级数，a为磁光相移与介电张量的虚部的比例系数，λ为输入波长，N为饱和法拉第旋转角与饱和磁场数值的比值，n_c为磁感应材料的有效折射率，k₀是波数，H为待测磁场强度。在优选实施例中，所述磁感应材料具体为磁光薄膜的形式，磁光薄膜包括但不限于钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜，可选的，以沉积的形式形成于环形波导顶部和/或侧壁。

本领域技术人员应认识到，虽然附图(如图5)中示出的是单个环形波导132和耦合波导131构成的微环谐振器，但本公开不限于此，其中的环形波导132可以是多层嵌套的；环形波导132也可以不是圆形，而是跑道型、椭圆形等形状。此外，微环谐振器也可以由多组环形波导132和耦合波导131级联构成，通过分别设置级联环形谐振器的顶层覆盖材料使两者拥有不同的温度灵敏度，实现系统对温度测量的高灵敏度。

根据本公开的实施方式，直波导110和耦合波导131具有一致的截面尺寸，示例性的，为参数相同的矩形。优选地，其截面尺寸的宽度小于500nm，高度为220nm至350nm。

根据本公开的实施方式，多个谐振单元中的环形波导132一致地构成，并且所述环形波导132与所述直波导110具有一致的截面尺寸。优选地，其截面尺寸的宽度小于500nm，高度为220nm至350nm。优选地，环形波导132半径为5μm至50μm。优选地，环形波导132周长为所述输入端引入光的波长的整数倍。

根据本公开的实施方式，如图1所示，直波导110和耦合波导平行131，并且呈树状设置于所述氧化硅层200表面；直波导110的输入端，与耦合波导131的输出端方向相反。

示例性的，实施例中的传感器输入端还连接有可调谐激光器和偏振控制器，可调谐激光器波长范围可以是1520nm～1570nm，激光器和偏振控制器通过单模光纤连接，光通过偏振控制器后分离出横电TE或者横磁TM偏振态，通过端面耦合或垂直耦合进传感器的输入端。

示例性的，实施例中的传感器输出端还通过单模光纤与光电探测器和末端信号显示及处理系统相连。

上述实施例及其优选方案，通过将多个传感测量方案集成在一起，可有效实现环境中多个因素的同时测量，并且，通过先进的半导体工艺设计，本方案的测量结果具有很高的可靠性。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种片上多功能传感器，其特征在于，包括硅器件层、硅衬底层以及二者之间的氧化硅层；

所述硅器件层包括具有输入端的直波导、分束结构以及多个谐振单元，所述分束结构用于将来自所述直波导的光场均匀分束至各谐振单元；

所述多个谐振单元均包括具有耦合区的环形波导和耦合波导，并且所述耦合波导具有输出端；

其中，所述多个谐振单元中包括一个参考谐振单元和多个传感谐振单元。

2.根据权利要求1所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述多个传感谐振单元包括折射率传感单元；所述折射率传感单元中的环形波导能够直接与环境介质接触。

3.根据权利要求1所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述多个传感谐振单元包括温度传感单元；所述温度传感单元具有热敏材料构成的封装。

4.根据权利要求1所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述多个传感谐振单元包括磁场传感单元；所述磁场传感单元具有磁感应材料构成的封装，所述磁感应材料能够基于磁场变化改变环形波导的等效折射率。

5.根据权利要求4所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述磁感应材料为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜，并且以沉积的形式形成于环形波导顶部和/或侧壁。

6.根据权利要求1至5任一项所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述直波导和所述耦合波导具有一致的截面尺寸。

7.根据权利要求6所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述截面尺寸的宽度小于500nm，高度为220nm至350nm。

8.根据权利要求1至5任一项所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述多个谐振单元中的环形波导一致地构成，并且所述环形波导与所述直波导具有一致的截面尺寸。

9.根据权利要求8所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述环形波导半径为5μm至50μm。

10.根据权利要求8所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述环形波导周长为所述输入端引入光的波长的整数倍。

11.根据权利要求1至5任一项所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述氧化硅层厚度大于2μm。

12.根据权利要求1至5任一项所述的片上多功能传感器，其特征在于，所述直波导和所述耦合波导平行，并且呈树状设置于所述氧化硅层表面；所述直波导的输入端，与所述耦合波导的输出端方向相反。

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