电子元件与材料投稿论文格式参考:基于微环谐振器的微型电场与电流传感器设计研究
关键词：微环谐振器;微型电场传感器;电流传感器;光栅耦合器;优化设计
作者：叶升言;李俊峰;程亮;杨燚虎; 马瑞
作者单位：云南电网有限责任公司德宏供电局;昆明能瑞科技有限公司
摘 要: 研究基于电光效应和磁热效应原理, 设计并优化了基于微环谐振器的微型电场与电流传感器。 通过改进光 栅耦合器与微环谐振器的配置, 实现传感器灵敏度和品质因数的提升。 实验结果显示, 在直流电场作用下, 电场传 感器的谐振波长显著红移, 品质因数高达 5894, 消光比为 8. 05 dB。 对于电流传感器, 在交流电流环境中, 其谐振 波长的偏移与电流幅度的平方成正比, 且不同半径(5, 10, 15 μm)的传感器灵敏度分别为 1. 735, 3. 297 和 5. 227 nm/ A 2 。 研究结果表明, 优化后的传感器具备高灵敏度与良好的线性响应特性, 在灵敏度、 温度稳定性、 尺寸集成 度以及适用性等方面展现出综合优势, 满足多种应用场景的实际需求。
在光电子学和传感器技术领域, 微环谐振器凭借 其高品质因数、 小尺寸和对环境变化的高敏感性而成为研究的热点, 在电场和电流传感方面具有巨大的应 用潜力[1-2] 。 然而, 现有的基于微环谐振器的传感器 在灵敏度、 选择性和集成度方面仍存在局限, 制约了 其在高精度测量和复杂环境监测中的应用。 当前, 全 球学者已经在微环谐振器的设计和应用方面取得了显 著进展[3-4] 。 为了提升折射率传感器的性能, 包括灵 敏度和品质因数, 刘春娟等提出了一种新型的微环谐 振器, 其设计采用了槽型相移布拉格光栅, 融合了槽 型直波导和相移布拉格光栅。 通过模拟分析, 该谐振 器的品质因数高达 25729, 相较于传统微环谐振器提 升 3 倍[5] 。 为了利用光学微环谐振器构建全光反射码 或格雷码转换器, Saharia 等[6] 基于氮化硅材料设计出 一种新的微环谐振器, 借助光泵浦信号来实现调制功 能。 测试结果有效验证了该微环谐振器设计的有效性 和实用性。 针对现有微环谐振器传感器在电场和电流 传感领域灵敏度不足、 信号处理复杂及温度稳定性差 的问题, 刘阳等提出了一种基于电光效应和磁热效应 的微型电场与电流传感器设计方法。 通过优化微环谐 振器结构和光栅耦合器配置, 结合光电聚合物薄膜与 超顺磁性纳米颗粒, 以实现高灵敏度、 高稳定性的传 感性能[7] 。
综上所述, 尽管通过集成先进的材料和制造技术, 一些研究已经实现了对温度、 压力和化学成分的高灵 敏度检测, 但这些进展并没有完全解决微环谐振器在 电场和电流传感领域的实际应用挑战。 因此, 本研究 旨在通过创新的微环谐振器设计, 提高传感器的准确 性和可靠性。 研究基于电光效应和磁热效应原理, 通 过精确调控光电聚合物薄膜和超顺磁性四氧化三铁纳 米粒子, 以实现对电场和电流变化的高灵敏度检测。 此外, 研究探讨光栅耦合器与微环谐振器的结构参数 优化, 以提高光信号的传输效率和耦合性能。 有望为 微环谐振器传感器的进一步微型化和集成化提供新的 解决方案, 同时也为高精度、 高稳定性的传感器开发 提供理论基础和技术支持。
1 微电场与电流传感器的构造改良设计
1. 1 基于微环谐振器的传感器构造设计
研究提出了一种新型的微电场传感器, 该传感器 的设计思路主要基于电光效应和倏逝场能量耦合原理。 该传感器巧妙地利用了电光材料的特性, 通过改变电 场强度来调控材料的折射率, 进而影响光波在微环中 的传播特性[8-9] 。 该设计不仅提高了传感器的灵敏度, 而且通过优化结构参数, 实现对特定频率范围内的电场信号的高选择性检测。 微电场传感器结构如图 1 所示。
该传感器结合了光电聚合物与硅基微环谐振器。 其结构从底部向上分别为硅基底、 二氧化硅隔离层、 单晶硅波导层以及光电聚合物层。 其中, 硅基微环谐 振器由直波导和环形波导组成, 而光电聚合物薄膜则 铺设在环形波导之上。 当施加电场时, 该电光材料的 折射率会发生变化, 这种折射率的变化与施加的电场 强度之间存在直接的线性关系, 遵循以下公式:
式中: ΔnEO 表示电光效应引起的折射率变化量; nEO 表 示电光材料的折射率; r33 是电光系数; E 表示外加电场 的强度。 在光波沿着波导传播, 光波并不会被完全限 制在波导内部, 而是会因为倏逝波效应而向波导的上 下包层扩散。 当电光材料的折射率发生变化时, 此类 转变会作用于环形波导结构的实际折射率。 当光波在 环形波导结构中传播, 若其沿环形路径的光程与光波 波长的整数倍相吻合, 则会在特定波长处产生共振现 象, 使得光波强度增强, 这一特定波长被称作共振波 长[10-11] 。 因此, 环形波导结构的实际折射率一旦发生 变动, 将直接影响直波导输出端的共振波长。 共振波 长的变化与施加电压之间的关系遵循以下公式:
式中: Δλ 表示波长的变化量; neff 表示有效折射率; λ 表示光波的原始波长; k 是倏逝场耦合系数。
研究还利用磁热效应和热光效应的耦合机制, 设计了一种新型的电流传感器, 如图 2 所示。
图 2 中, 环形波导部分的表面覆盖了一层四氧化 三铁磁性纳米粒子材料, 这些磁性纳米粒子能够响应 磁场的变化, 进而影响通过波导的光信号, 最终实现 对电流的监测。 四氧化三铁纳米粒子的粒径控制在 20 nm 左右, 以确保它们在外加磁场下能够表现出超顺磁 性, 从而对磁场变化有快速响应。 纳米粒子的体积分 数控制在波导体积的 5% ~ 10%, 以平衡灵敏度和信号 噪声。 此外, 四氧化三铁纳米粒子层的厚度精确控制 在 100 nm 左右, 这一厚度既能保证对光信号产生足够 的影响, 又不至于过厚而影响光的传输效率。 当光波 在环形波导通道中传播时, 若光波沿微环路径的光程 差正好等于波长的整数倍, 那么光波将在该特定波长 处引起共振现象, 这个特定的波长被称为共振波长。 二氧化硅的折射率随温度变化不大, 其变化量可以忽 略。 此外, 二氧化硅的热导率远低于硅, 能够减少热 量向下的传导, 进而降低能量的损耗。 同时, 由于热 膨胀的影响, 微环谐振器的尺寸可能会有所变化。 然 而, 由于硅的热膨胀系数远小于热光系数, 因此可以 忽略热膨胀对共振波长偏移的影响[12-13] 。 在温度变化 的情况下, 微环谐振器的有效折射率会相应变化, 进 而导致共振波长的偏移:
式中: m 表示谐振模式的阶数; R 表示微环谐振器的半 径。 当四氧化三铁磁性纳米粒子的尺寸降至超顺磁转 变尺寸以下时, 这些粒子会表现出超顺磁性特征。 在 这种状态下, 四氧化三铁纳米粒子具有极高的磁化率, 并对外部磁场的变化表现出快速而灵敏的反应。 此外, 外部磁场存在时, 四氧化三铁纳米粒子不会聚结, 在 磁场移除后也能迅速恢复原状, 从而能够迅速适应磁 场的变化[14-15] 。
1. 2 基于光栅耦合器的传感器结构优化
在标准的 SOI 技术平台上, 顶层硅材料与夹层二 氧化硅之间的折射率存在显著差异, 能够使光波导模 式在硅材料层中得到有效的约束[16-17] 。 为此, 在分析 基于微环谐振器的传感器构造设计基础上, 进一步采 用光栅耦合器来实现波导芯片与光纤之间的光信号连 接, 其优化设计结构如图 3 所示。
由图 3 可知, 光栅耦合器能够灵活地安置在芯片 的任意位置, 并且不需要额外的磨光处理过程。 因此, 研究中选用了光栅耦合器技术来实现从光纤到光波导 的光信号传输。 依据布拉格散射原理, 光栅耦合器 满足:
式中: keff 表示波导中光波的有效波数; ktop-clad 表示从波 导顶部包层入射的光波的波数; θ 表示入射角; Λ 表示 光栅的周期。 研究针对电流和电场传感器进行了参数 设计。 在设计过程中, 增强了光电聚合物与微环谐振 器之间的耦合效率, 以此提升倏逝场的能量, 进而提 高传感器的探测灵敏度。 电流和电场传感器的设计参数优化具体如表 1 所示。
1. 3 基于微环谐振器的微型电场与电流传感器制备
接下来介绍传感器的实际制备流程。 以优化后的 器件结构与参数作为基础, 研究制备了一种新型电流 传感装置。 在该装置的表面, 均匀地覆盖了一层四氧 化三铁超顺磁性纳米粒子。 使得微环谐振器可以对磁 场变化产生灵敏的响应, 进而实现对电流的高灵敏度 检测。
图 4 为微环谐振器的版图, 其由一个圆形环状结 构和一条直波导组成, 半径为 10 μm。 环状结构与直 波导在一侧相连接, 形成一个闭合的环形路径。 随后, 依据设计好的版图制备电场传感器。 传感器制备的工 艺流程图见图 5。
在微加工工艺前, 需要对 SOI 晶圆片进行彻底清 洁以去除表面污染物。 清洗时首先将晶圆片浸入丙酮 中, 利用超声清洗技术去除大部分有机物, 这一过程 持续 10 min。 其次, 将晶圆片放入异丙醇中, 进行二 次超声清洗, 同样持续 10 min, 以确保将残留的丙酮 和其他杂质清除。 然后, 将清洗后的晶圆片通过等离 子体水冲洗, 冲洗后用氮气流吹干, 并在热板上进一 步烘干, 确保表面完全干燥。 随后, 在晶圆片表面均 匀涂覆电子光刻胶, 并在 90 ℃ 的热板上烘烤 10 min 以固化。 固化后的光刻胶通过电子束光刻技术曝光, 将设计图形转移到光刻胶上。 曝光后的晶圆片在显影 液中显影 3 min, 去除未曝光区域的光刻胶。 显影完成 后, 用等离子体水清洗晶圆片, 去除残留显影液。 最 后, 通过感应耦合等离子体干法刻蚀技术, 去除芯层 硅中的杂质材料, 将图形永久转移到硅层上。 刻蚀过 程结束后, 清洗晶圆片, 去除残留的刻蚀产物。 电场 传感器制备过程中使用到的材料和装置如表 2 所示。
在电流传感器的制作中, 同样采用了基于硅基微 环谐振器的技术, 选用了边长为 1. 4 cm 的 SOI 晶圆片作为基础材料。 晶圆片经过清洗后, 通过旋转涂覆技 术在其表面均匀地涂上一层正性电子束光刻胶。 随后, 利用电子束光刻系统, 将掩模上的图案精确地复制到 光刻胶层上。 图案转移完成后, 晶圆片经过显影和后 热处理步骤, 以固定图案。 接下来通过等离子体刻蚀 工艺, 对硅波导进行精细的雕琢, 确保微环谐振器结 构的精确性。 刻蚀工序结束后, 用二甲基酮和酒精溶 液清洗晶圆片, 去除任何残留的杂质, 从而获得高质 量的硅波导微环谐振器。 在微环谐振器制备完成后, 继续采用相同的工艺流程制作光栅耦合器结构, 确保 整个传感器制备过程的一致性。
2 基于微环谐振器的微型电场与电流传感器性 能分析
2. 1 微环谐振器与光栅耦合器的结构参数优化结果
光栅耦合器与不同直径微环谐振器的扫描电镜图 如图 6 所示。 图 6(a)中, 耦合装置的横向尺寸为 32 μm, 包含 25 个周期的光栅结构, 每个光栅单元的长度达到 600 nm, 其刻蚀深度为 90 nm, 光栅的占空比为 0. 5。
图 6 (b~ d)中分别展示了半径为 5, 10 和 15 μm 的硅基微 环谐振器。 其中, 环形波导尺寸与直波导尺寸相同, 都是宽 500 nm、 高 200 nm。 直波导与环形波导之间的 耦合间隙为 100 nm 宽。
图 7 展示了光栅耦合器的耦合 效率以及在不同半径条件下品质因数随耦合间隙的 变化。 图 7(a)显示, 随着子光栅长度从 400 nm 增加到 700 nm, 光栅耦合器的耦合效率呈现出先上升后下降 的趋势。 在子光栅长度为 600 nm 时, 光栅耦合器的耦 合效率达到最高值, 约为 0. 35。 当子光栅长度继续增 加到 700 nm 时, 耦合效率开始下降, 这是由于过长的 光栅结构导致光的散射和吸收增加, 从而降低了耦合 效率。 图 7(b)中, 对于光栅耦合器半径为 5, 10 和 15 μm 的三种情况, 品质因数 Q 随着耦合间隙的增加呈 现出不同的变化趋势。 半径为 5 μm 时, 品质因数 Q 在耦合间距为 150 nm 时达到最高值, 接近 20000, 之 后随着耦合间距的增加而下降。 半径为 10 μm 时的品 质因数 Q 在整个耦合间隙范围内变化不大, 保持在 5000 左右。 而半径为 15 μm 时, 品质因数 Q 随耦合间 隙的增加呈现先增高后降低的趋势, 在 150 nm 时达到 一个峰值。 这表明耦合间隙对光栅结构的品质因数有 显著影响, 且存在一个最优耦合间隙, 使得品质因数达到理论最大值。
2. 2 微型电场及电流传感器的感应性能
在不同直流电场强度下, 电场传感器的透射光谱 特性如图 8 所示, 该图显示了传感器在- 25, 0 和 25 kV/ cm 直流电场作用下的光谱响应。
图 8 中, 电场传感器半径为 10 μm, 输出光谱的 自由光谱为 8. 21 nm, 品质因数为 5894, 消光比为 8. 19 dB。 在电场从-25 kV/ cm 变化至 25 kV/ cm 的过 程中, 电场传感器的谐振波长明显向更长的波长方向 移动。 这种现象是由于电场作用导致光电聚合物的折 射率增加, 进而使得波导的有效折射率提高, 最终导 致微环谐振波长向长波方向移动。
不同半径下电流传感器的输出光谱如图 9 所示。 图 9(a)中, 对于半径为 5 μm 的电流传感器, 其波长 范围在 1540 nm 至 1575 nm 之间, 输出功率在-2 dB 到-14 dB 之间波动, 整体趋势较为稳定。 但在波长 1550 nm 和 1570 nm 附近, 输出功率出现了显著的下 降, 这与特定波长下的光吸收和散射特性有关。 图 9(b)中, 对于半径为 10 μm 的电流传感器, 同样波长 范围在 1540 nm 至 1575 nm 之间, 但在 1550 nm 和 1570 nm 附近, 输出功率下降更为明显。 表明随着传 感器半径的增加, 特定波长的敏感性增强。 图 9( c) 中, 半径为 15 μm 传感器的输出功率在相同波长范围 内表现出更大的波动, 尤其是在 1550 nm 和 1570 nm 附近, 输出功率的下降更为剧烈, 这进一步证实了传 感器半径对波长敏感性的影响。
图 10 展示了谐振波长的偏移随电流强度和频率的 变化。 图 10(a) 为交流电流变化范围从 0 A 到 0. 5 A 之间, 不同微环半径的电流传感器均展现出谐振波长 的偏移, 这种偏移与电流幅值的通过数据分析和拟合发现, 半径为 5, 10, 15 μm 的电 流传感器的灵敏度分别为 1. 735, 3. 297 和 5. 227 nm/ A 2 , 对应 的 拟 合 优 度 值 分 别 为 0. 9944, 0. 9958 和 0. 9974, 这些高拟合度证明了传感器的线性响应特性。 此外, 半径为 5, 10, 15 μm 的电流传感器的测量误差 被控制在 4. 03%, 4. 15%和 3. 87%, 均低于 5%, 显示 了传感器的精确度。 图 10(b)中, 在 0~ 6000 Hz 2 的频 率平方范围内, 装配有不同半径微环谐振器的电流传 感器, 其共振波长的偏移均与电流频率的平方呈正比 关系。 此外, 半径为 5, 10, 15 μm 的电流传感器的测 量误差被控制在 4. 58%, 4. 11%和 4. 19%, 均未超过 5%的阈值。 不同电场传感器与电流传感器的指标对比 情况如表 3 所示。
表 3 中, 研究提出的电场传感器最大频率为 13. 56 MHz, 最大测量量程为 150 kV/ m, 灵敏度为 0. 209 kV/ m。 灵敏度虽然不是很高, 但具有较好的温度稳定 性, 且器件尺寸为微米级, 这使得它在集成度和适用 性方面具有优势。 此外, 研究提出的电场传感器的测 量量程和频率范围也满足了大多数应用场景的需求, 显示出良好的综合性能。 研究提出的电流传感器频率范围为 10 Hz ~ 13. 56 MHz, 量程为 0. 4 ~ 8. 5 A, 灵敏度 为 2. 183 mV/ A。 研究提出的电流传感器在灵敏度上 具有较高的数值, 表明其能够提供较为精确的电流测 量。 同时, 测量量程适中, 适合中等电流范围的测量, 且频率范围广泛, 能够覆盖从低频到高频的多种应用 场景。
3 结论
研究通过实验和理论分析, 对基于微环谐振器的 微型电场及电流传感器进行了改良设计。 实验结果表 明, 通过调整波导宽度、 耦合间隙和微环半径等关键 参数, 成功地提高了电光耦合效率, 并降低了传输损 耗, 显著提升了传感器的整体性能。 在电场传感器的 设计中, 当微环半径设定为 10 μm 时, 自由光谱宽度 为 8. 21 nm, 品质因数达 5894, 在电场检测中显示出 高分辨率和高稳定性。 电流传感器的设计则显示了谐 振波长偏移与电流幅值平方成正比的特性, 且其灵敏 度随着微环半径的增加而提高, 为电流的精确测量提 供了可能。
与现有研究工作相比, 研究提出的传感器在灵敏 度、 温度稳定性、 尺寸集成度以及适用性方面展现出 综合优势。 有望在高精度测量和复杂环境监测中得到 广泛应用, 特别是在需要集成化和微型化传感器的 领域。
为了进一步提升传感器的性能, 未来的工作重点将放在改进材料选择和优化结构设计上, 以提高传感 器的响应速度, 并扩展其动态检测范围, 使其能够更 好地适应多样化的应用场景。
