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關(guān)鍵詞:微環(huán)諧振器;微型電場傳感器;電流傳感器;光柵耦合器;優(yōu)化設(shè)計
作者:葉升言;李俊峰;程亮;楊燚虎; 馬瑞
作者單位:云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局;昆明能瑞科技有限公司
摘 要: 研究基于電光效應(yīng)和磁熱效應(yīng)原理, 設(shè)計并優(yōu)化了基于微環(huán)諧振器的微型電場與電流傳感器。 通過改進(jìn)光 柵耦合器與微環(huán)諧振器的配置, 實現(xiàn)傳感器靈敏度和品質(zhì)因數(shù)的提升。 實驗結(jié)果顯示, 在直流電場作用下, 電場傳 感器的諧振波長顯著紅移, 品質(zhì)因數(shù)高達(dá) 5894, 消光比為 8. 05 dB。 對于電流傳感器, 在交流電流環(huán)境中, 其諧振 波長的偏移與電流幅度的平方成正比, 且不同半徑(5, 10, 15 μm)的傳感器靈敏度分別為 1. 735, 3. 297 和 5. 227 nm/ A 2 。 研究結(jié)果表明, 優(yōu)化后的傳感器具備高靈敏度與良好的線性響應(yīng)特性, 在靈敏度、 溫度穩(wěn)定性、 尺寸集成 度以及適用性等方面展現(xiàn)出綜合優(yōu)勢, 滿足多種應(yīng)用場景的實際需求。
在光電子學(xué)和傳感器技術(shù)領(lǐng)域, 微環(huán)諧振器憑借 其高品質(zhì)因數(shù)、 小尺寸和對環(huán)境變化的高敏感性而成為研究的熱點, 在電場和電流傳感方面具有巨大的應(yīng) 用潛力[1-2] 。 然而, 現(xiàn)有的基于微環(huán)諧振器的傳感器 在靈敏度、 選擇性和集成度方面仍存在局限, 制約了 其在高精度測量和復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。 當(dāng)前, 全 球?qū)W者已經(jīng)在微環(huán)諧振器的設(shè)計和應(yīng)用方面取得了顯 著進(jìn)展[3-4] 。 為了提升折射率傳感器的性能, 包括靈 敏度和品質(zhì)因數(shù), 劉春娟等提出了一種新型的微環(huán)諧 振器, 其設(shè)計采用了槽型相移布拉格光柵, 融合了槽 型直波導(dǎo)和相移布拉格光柵。 通過模擬分析, 該諧振 器的品質(zhì)因數(shù)高達(dá) 25729, 相較于傳統(tǒng)微環(huán)諧振器提 升 3 倍[5] 。 為了利用光學(xué)微環(huán)諧振器構(gòu)建全光反射碼 或格雷碼轉(zhuǎn)換器, Saharia 等[6] 基于氮化硅材料設(shè)計出 一種新的微環(huán)諧振器, 借助光泵浦信號來實現(xiàn)調(diào)制功 能。 測試結(jié)果有效驗證了該微環(huán)諧振器設(shè)計的有效性 和實用性。 針對現(xiàn)有微環(huán)諧振器傳感器在電場和電流 傳感領(lǐng)域靈敏度不足、 信號處理復(fù)雜及溫度穩(wěn)定性差 的問題, 劉陽等提出了一種基于電光效應(yīng)和磁熱效應(yīng) 的微型電場與電流傳感器設(shè)計方法。 通過優(yōu)化微環(huán)諧 振器結(jié)構(gòu)和光柵耦合器配置, 結(jié)合光電聚合物薄膜與 超順磁性納米顆粒, 以實現(xiàn)高靈敏度、 高穩(wěn)定性的傳 感性能[7] 。
綜上所述, 盡管通過集成先進(jìn)的材料和制造技術(shù), 一些研究已經(jīng)實現(xiàn)了對溫度、 壓力和化學(xué)成分的高靈 敏度檢測, 但這些進(jìn)展并沒有完全解決微環(huán)諧振器在 電場和電流傳感領(lǐng)域的實際應(yīng)用挑戰(zhàn)。 因此, 本研究 旨在通過創(chuàng)新的微環(huán)諧振器設(shè)計, 提高傳感器的準(zhǔn)確 性和可靠性。 研究基于電光效應(yīng)和磁熱效應(yīng)原理, 通 過精確調(diào)控光電聚合物薄膜和超順磁性四氧化三鐵納 米粒子, 以實現(xiàn)對電場和電流變化的高靈敏度檢測。 此外, 研究探討光柵耦合器與微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化, 以提高光信號的傳輸效率和耦合性能。 有望為 微環(huán)諧振器傳感器的進(jìn)一步微型化和集成化提供新的 解決方案, 同時也為高精度、 高穩(wěn)定性的傳感器開發(fā) 提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
1 微電場與電流傳感器的構(gòu)造改良設(shè)計
1. 1 基于微環(huán)諧振器的傳感器構(gòu)造設(shè)計
研究提出了一種新型的微電場傳感器, 該傳感器 的設(shè)計思路主要基于電光效應(yīng)和倏逝場能量耦合原理。 該傳感器巧妙地利用了電光材料的特性, 通過改變電 場強(qiáng)度來調(diào)控材料的折射率, 進(jìn)而影響光波在微環(huán)中 的傳播特性[8-9] 。 該設(shè)計不僅提高了傳感器的靈敏度, 而且通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù), 實現(xiàn)對特定頻率范圍內(nèi)的電場信號的高選擇性檢測。 微電場傳感器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

該傳感器結(jié)合了光電聚合物與硅基微環(huán)諧振器。 其結(jié)構(gòu)從底部向上分別為硅基底、 二氧化硅隔離層、 單晶硅波導(dǎo)層以及光電聚合物層。 其中, 硅基微環(huán)諧 振器由直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)組成, 而光電聚合物薄膜則 鋪設(shè)在環(huán)形波導(dǎo)之上。 當(dāng)施加電場時, 該電光材料的 折射率會發(fā)生變化, 這種折射率的變化與施加的電場 強(qiáng)度之間存在直接的線性關(guān)系, 遵循以下公式:

式中: ΔnEO 表示電光效應(yīng)引起的折射率變化量; nEO 表 示電光材料的折射率; r33 是電光系數(shù); E 表示外加電場 的強(qiáng)度。 在光波沿著波導(dǎo)傳播, 光波并不會被完全限 制在波導(dǎo)內(nèi)部, 而是會因為倏逝波效應(yīng)而向波導(dǎo)的上 下包層擴(kuò)散。 當(dāng)電光材料的折射率發(fā)生變化時, 此類 轉(zhuǎn)變會作用于環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實際折射率。 當(dāng)光波在 環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播, 若其沿環(huán)形路徑的光程與光波 波長的整數(shù)倍相吻合, 則會在特定波長處產(chǎn)生共振現(xiàn) 象, 使得光波強(qiáng)度增強(qiáng), 這一特定波長被稱作共振波 長[10-11] 。 因此, 環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實際折射率一旦發(fā)生 變動, 將直接影響直波導(dǎo)輸出端的共振波長。 共振波 長的變化與施加電壓之間的關(guān)系遵循以下公式:

式中: Δλ 表示波長的變化量; neff 表示有效折射率; λ 表示光波的原始波長; k 是倏逝場耦合系數(shù)。
研究還利用磁熱效應(yīng)和熱光效應(yīng)的耦合機(jī)制, 設(shè)計了一種新型的電流傳感器, 如圖 2 所示。

圖 2 中, 環(huán)形波導(dǎo)部分的表面覆蓋了一層四氧化 三鐵磁性納米粒子材料, 這些磁性納米粒子能夠響應(yīng) 磁場的變化, 進(jìn)而影響通過波導(dǎo)的光信號, 最終實現(xiàn) 對電流的監(jiān)測。 四氧化三鐵納米粒子的粒徑控制在 20 nm 左右, 以確保它們在外加磁場下能夠表現(xiàn)出超順磁 性, 從而對磁場變化有快速響應(yīng)。 納米粒子的體積分 數(shù)控制在波導(dǎo)體積的 5% ~ 10%, 以平衡靈敏度和信號 噪聲。 此外, 四氧化三鐵納米粒子層的厚度精確控制 在 100 nm 左右, 這一厚度既能保證對光信號產(chǎn)生足夠 的影響, 又不至于過厚而影響光的傳輸效率。 當(dāng)光波 在環(huán)形波導(dǎo)通道中傳播時, 若光波沿微環(huán)路徑的光程 差正好等于波長的整數(shù)倍, 那么光波將在該特定波長 處引起共振現(xiàn)象, 這個特定的波長被稱為共振波長。 二氧化硅的折射率隨溫度變化不大, 其變化量可以忽 略。 此外, 二氧化硅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于硅, 能夠減少熱 量向下的傳導(dǎo), 進(jìn)而降低能量的損耗。 同時, 由于熱 膨脹的影響, 微環(huán)諧振器的尺寸可能會有所變化。 然 而, 由于硅的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于熱光系數(shù), 因此可以 忽略熱膨脹對共振波長偏移的影響[12-13] 。 在溫度變化 的情況下, 微環(huán)諧振器的有效折射率會相應(yīng)變化, 進(jìn) 而導(dǎo)致共振波長的偏移:

式中: m 表示諧振模式的階數(shù); R 表示微環(huán)諧振器的半 徑。 當(dāng)四氧化三鐵磁性納米粒子的尺寸降至超順磁轉(zhuǎn) 變尺寸以下時, 這些粒子會表現(xiàn)出超順磁性特征。 在 這種狀態(tài)下, 四氧化三鐵納米粒子具有極高的磁化率, 并對外部磁場的變化表現(xiàn)出快速而靈敏的反應(yīng)。 此外, 外部磁場存在時, 四氧化三鐵納米粒子不會聚結(jié), 在 磁場移除后也能迅速恢復(fù)原狀, 從而能夠迅速適應(yīng)磁 場的變化[14-15] 。
1. 2 基于光柵耦合器的傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在標(biāo)準(zhǔn)的 SOI 技術(shù)平臺上, 頂層硅材料與夾層二 氧化硅之間的折射率存在顯著差異, 能夠使光波導(dǎo)模 式在硅材料層中得到有效的約束[16-17] 。 為此, 在分析 基于微環(huán)諧振器的傳感器構(gòu)造設(shè)計基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步采 用光柵耦合器來實現(xiàn)波導(dǎo)芯片與光纖之間的光信號連 接, 其優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

由圖 3 可知, 光柵耦合器能夠靈活地安置在芯片 的任意位置, 并且不需要額外的磨光處理過程。 因此, 研究中選用了光柵耦合器技術(shù)來實現(xiàn)從光纖到光波導(dǎo) 的光信號傳輸。 依據(jù)布拉格散射原理, 光柵耦合器 滿足:

式中: keff 表示波導(dǎo)中光波的有效波數(shù); ktop-clad 表示從波 導(dǎo)頂部包層入射的光波的波數(shù); θ 表示入射角; Λ 表示 光柵的周期。 研究針對電流和電場傳感器進(jìn)行了參數(shù) 設(shè)計。 在設(shè)計過程中, 增強(qiáng)了光電聚合物與微環(huán)諧振 器之間的耦合效率, 以此提升倏逝場的能量, 進(jìn)而提 高傳感器的探測靈敏度。 電流和電場傳感器的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化具體如表 1 所示。

1. 3 基于微環(huán)諧振器的微型電場與電流傳感器制備
接下來介紹傳感器的實際制備流程。 以優(yōu)化后的 器件結(jié)構(gòu)與參數(shù)作為基礎(chǔ), 研究制備了一種新型電流 傳感裝置。 在該裝置的表面, 均勻地覆蓋了一層四氧 化三鐵超順磁性納米粒子。 使得微環(huán)諧振器可以對磁 場變化產(chǎn)生靈敏的響應(yīng), 進(jìn)而實現(xiàn)對電流的高靈敏度 檢測。
圖 4 為微環(huán)諧振器的版圖, 其由一個圓形環(huán)狀結(jié) 構(gòu)和一條直波導(dǎo)組成, 半徑為 10 μm。 環(huán)狀結(jié)構(gòu)與直 波導(dǎo)在一側(cè)相連接, 形成一個閉合的環(huán)形路徑。 隨后, 依據(jù)設(shè)計好的版圖制備電場傳感器。 傳感器制備的工 藝流程圖見圖 5。
在微加工工藝前, 需要對 SOI 晶圓片進(jìn)行徹底清 潔以去除表面污染物。 清洗時首先將晶圓片浸入丙酮 中, 利用超聲清洗技術(shù)去除大部分有機(jī)物, 這一過程 持續(xù) 10 min。 其次, 將晶圓片放入異丙醇中, 進(jìn)行二 次超聲清洗, 同樣持續(xù) 10 min, 以確保將殘留的丙酮 和其他雜質(zhì)清除。 然后, 將清洗后的晶圓片通過等離 子體水沖洗, 沖洗后用氮氣流吹干, 并在熱板上進(jìn)一 步烘干, 確保表面完全干燥。 隨后, 在晶圓片表面均 勻涂覆電子光刻膠, 并在 90 ℃ 的熱板上烘烤 10 min 以固化。 固化后的光刻膠通過電子束光刻技術(shù)曝光, 將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。 曝光后的晶圓片在顯影 液中顯影 3 min, 去除未曝光區(qū)域的光刻膠。 顯影完成 后, 用等離子體水清洗晶圓片, 去除殘留顯影液。 最 后, 通過感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕技術(shù), 去除芯層 硅中的雜質(zhì)材料, 將圖形永久轉(zhuǎn)移到硅層上。 刻蝕過 程結(jié)束后, 清洗晶圓片, 去除殘留的刻蝕產(chǎn)物。 電場 傳感器制備過程中使用到的材料和裝置如表 2 所示。


在電流傳感器的制作中, 同樣采用了基于硅基微 環(huán)諧振器的技術(shù), 選用了邊長為 1. 4 cm 的 SOI 晶圓片作為基礎(chǔ)材料。 晶圓片經(jīng)過清洗后, 通過旋轉(zhuǎn)涂覆技 術(shù)在其表面均勻地涂上一層正性電子束光刻膠。 隨后, 利用電子束光刻系統(tǒng), 將掩模上的圖案精確地復(fù)制到 光刻膠層上。 圖案轉(zhuǎn)移完成后, 晶圓片經(jīng)過顯影和后 熱處理步驟, 以固定圖案。 接下來通過等離子體刻蝕 工藝, 對硅波導(dǎo)進(jìn)行精細(xì)的雕琢, 確保微環(huán)諧振器結(jié) 構(gòu)的精確性。 刻蝕工序結(jié)束后, 用二甲基酮和酒精溶 液清洗晶圓片, 去除任何殘留的雜質(zhì), 從而獲得高質(zhì) 量的硅波導(dǎo)微環(huán)諧振器。 在微環(huán)諧振器制備完成后, 繼續(xù)采用相同的工藝流程制作光柵耦合器結(jié)構(gòu), 確保 整個傳感器制備過程的一致性。
2 基于微環(huán)諧振器的微型電場與電流傳感器性 能分析
2. 1 微環(huán)諧振器與光柵耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
光柵耦合器與不同直徑微環(huán)諧振器的掃描電鏡圖 如圖 6 所示。 圖 6(a)中, 耦合裝置的橫向尺寸為 32 μm, 包含 25 個周期的光柵結(jié)構(gòu), 每個光柵單元的長度達(dá)到 600 nm, 其刻蝕深度為 90 nm, 光柵的占空比為 0. 5。
圖 6 (b~ d)中分別展示了半徑為 5, 10 和 15 μm 的硅基微 環(huán)諧振器。 其中, 環(huán)形波導(dǎo)尺寸與直波導(dǎo)尺寸相同, 都是寬 500 nm、 高 200 nm。 直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)之間的 耦合間隙為 100 nm 寬。
圖 7 展示了光柵耦合器的耦合 效率以及在不同半徑條件下品質(zhì)因數(shù)隨耦合間隙的 變化。 圖 7(a)顯示, 隨著子光柵長度從 400 nm 增加到 700 nm, 光柵耦合器的耦合效率呈現(xiàn)出先上升后下降 的趨勢。 在子光柵長度為 600 nm 時, 光柵耦合器的耦 合效率達(dá)到最高值, 約為 0. 35。 當(dāng)子光柵長度繼續(xù)增 加到 700 nm 時, 耦合效率開始下降, 這是由于過長的 光柵結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光的散射和吸收增加, 從而降低了耦合 效率。 圖 7(b)中, 對于光柵耦合器半徑為 5, 10 和 15 μm 的三種情況, 品質(zhì)因數(shù) Q 隨著耦合間隙的增加呈 現(xiàn)出不同的變化趨勢。 半徑為 5 μm 時, 品質(zhì)因數(shù) Q 在耦合間距為 150 nm 時達(dá)到最高值, 接近 20000, 之 后隨著耦合間距的增加而下降。 半徑為 10 μm 時的品 質(zhì)因數(shù) Q 在整個耦合間隙范圍內(nèi)變化不大, 保持在 5000 左右。 而半徑為 15 μm 時, 品質(zhì)因數(shù) Q 隨耦合間 隙的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢, 在 150 nm 時達(dá)到 一個峰值。 這表明耦合間隙對光柵結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)有 顯著影響, 且存在一個最優(yōu)耦合間隙, 使得品質(zhì)因數(shù)達(dá)到理論最大值。
2. 2 微型電場及電流傳感器的感應(yīng)性能
在不同直流電場強(qiáng)度下, 電場傳感器的透射光譜 特性如圖 8 所示, 該圖顯示了傳感器在- 25, 0 和 25 kV/ cm 直流電場作用下的光譜響應(yīng)。


圖 8 中, 電場傳感器半徑為 10 μm, 輸出光譜的 自由光譜為 8. 21 nm, 品質(zhì)因數(shù)為 5894, 消光比為 8. 19 dB。 在電場從-25 kV/ cm 變化至 25 kV/ cm 的過 程中, 電場傳感器的諧振波長明顯向更長的波長方向 移動。 這種現(xiàn)象是由于電場作用導(dǎo)致光電聚合物的折 射率增加, 進(jìn)而使得波導(dǎo)的有效折射率提高, 最終導(dǎo) 致微環(huán)諧振波長向長波方向移動。
不同半徑下電流傳感器的輸出光譜如圖 9 所示。 圖 9(a)中, 對于半徑為 5 μm 的電流傳感器, 其波長 范圍在 1540 nm 至 1575 nm 之間, 輸出功率在-2 dB 到-14 dB 之間波動, 整體趨勢較為穩(wěn)定。 但在波長 1550 nm 和 1570 nm 附近, 輸出功率出現(xiàn)了顯著的下 降, 這與特定波長下的光吸收和散射特性有關(guān)。 圖 9(b)中, 對于半徑為 10 μm 的電流傳感器, 同樣波長 范圍在 1540 nm 至 1575 nm 之間, 但在 1550 nm 和 1570 nm 附近, 輸出功率下降更為明顯。 表明隨著傳 感器半徑的增加, 特定波長的敏感性增強(qiáng)。 圖 9( c) 中, 半徑為 15 μm 傳感器的輸出功率在相同波長范圍 內(nèi)表現(xiàn)出更大的波動, 尤其是在 1550 nm 和 1570 nm 附近, 輸出功率的下降更為劇烈, 這進(jìn)一步證實了傳 感器半徑對波長敏感性的影響。

圖 10 展示了諧振波長的偏移隨電流強(qiáng)度和頻率的 變化。 圖 10(a) 為交流電流變化范圍從 0 A 到 0. 5 A 之間, 不同微環(huán)半徑的電流傳感器均展現(xiàn)出諧振波長 的偏移, 這種偏移與電流幅值的通過數(shù)據(jù)分析和擬合發(fā)現(xiàn), 半徑為 5, 10, 15 μm 的電 流傳感器的靈敏度分別為 1. 735, 3. 297 和 5. 227 nm/ A 2 , 對應(yīng) 的 擬 合 優(yōu) 度 值 分 別 為 0. 9944, 0. 9958 和 0. 9974, 這些高擬合度證明了傳感器的線性響應(yīng)特性。 此外, 半徑為 5, 10, 15 μm 的電流傳感器的測量誤差 被控制在 4. 03%, 4. 15%和 3. 87%, 均低于 5%, 顯示 了傳感器的精確度。 圖 10(b)中, 在 0~ 6000 Hz 2 的頻 率平方范圍內(nèi), 裝配有不同半徑微環(huán)諧振器的電流傳 感器, 其共振波長的偏移均與電流頻率的平方呈正比 關(guān)系。 此外, 半徑為 5, 10, 15 μm 的電流傳感器的測 量誤差被控制在 4. 58%, 4. 11%和 4. 19%, 均未超過 5%的閾值。 不同電場傳感器與電流傳感器的指標(biāo)對比 情況如表 3 所示。

表 3 中, 研究提出的電場傳感器最大頻率為 13. 56 MHz, 最大測量量程為 150 kV/ m, 靈敏度為 0. 209 kV/ m。 靈敏度雖然不是很高, 但具有較好的溫度穩(wěn)定 性, 且器件尺寸為微米級, 這使得它在集成度和適用 性方面具有優(yōu)勢。 此外, 研究提出的電場傳感器的測 量量程和頻率范圍也滿足了大多數(shù)應(yīng)用場景的需求, 顯示出良好的綜合性能。 研究提出的電流傳感器頻率范圍為 10 Hz ~ 13. 56 MHz, 量程為 0. 4 ~ 8. 5 A, 靈敏度 為 2. 183 mV/ A。 研究提出的電流傳感器在靈敏度上 具有較高的數(shù)值, 表明其能夠提供較為精確的電流測 量。 同時, 測量量程適中, 適合中等電流范圍的測量, 且頻率范圍廣泛, 能夠覆蓋從低頻到高頻的多種應(yīng)用 場景。

3 結(jié)論
研究通過實驗和理論分析, 對基于微環(huán)諧振器的 微型電場及電流傳感器進(jìn)行了改良設(shè)計。 實驗結(jié)果表 明, 通過調(diào)整波導(dǎo)寬度、 耦合間隙和微環(huán)半徑等關(guān)鍵 參數(shù), 成功地提高了電光耦合效率, 并降低了傳輸損 耗, 顯著提升了傳感器的整體性能。 在電場傳感器的 設(shè)計中, 當(dāng)微環(huán)半徑設(shè)定為 10 μm 時, 自由光譜寬度 為 8. 21 nm, 品質(zhì)因數(shù)達(dá) 5894, 在電場檢測中顯示出 高分辨率和高穩(wěn)定性。 電流傳感器的設(shè)計則顯示了諧 振波長偏移與電流幅值平方成正比的特性, 且其靈敏 度隨著微環(huán)半徑的增加而提高, 為電流的精確測量提 供了可能。
與現(xiàn)有研究工作相比, 研究提出的傳感器在靈敏 度、 溫度穩(wěn)定性、 尺寸集成度以及適用性方面展現(xiàn)出 綜合優(yōu)勢。 有望在高精度測量和復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測中得到 廣泛應(yīng)用, 特別是在需要集成化和微型化傳感器的 領(lǐng)域。
為了進(jìn)一步提升傳感器的性能, 未來的工作重點將放在改進(jìn)材料選擇和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計上, 以提高傳感 器的響應(yīng)速度, 并擴(kuò)展其動態(tài)檢測范圍, 使其能夠更 好地適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景。