硅基雙環(huán)諧振腔力敏傳感特性實(shí)驗(yàn)研究

張 偉， 唐 軍， 劉建華， 薛晨陽(yáng), 劉麗雙

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

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硅基雙環(huán)諧振腔力敏傳感特性實(shí)驗(yàn)研究

張 偉， 唐 軍， 劉建華， 薛晨陽(yáng), 劉麗雙

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

為研究雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)力敏傳感特性，設(shè)計(jì)了不同半徑比的基于絕緣襯底上硅的雙環(huán)微腔結(jié)構(gòu)。通過(guò)理論分析以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試并結(jié)合有限元仿真得出：半徑比為3∶1的雙環(huán)結(jié)構(gòu)的靈敏度為80.26 pm/MPa；而半徑比為1∶1的雙環(huán)結(jié)構(gòu)的靈敏度高達(dá)128.87 pm/MPa，具有高的檢測(cè)靈敏度，表明雙環(huán)微腔敏感結(jié)構(gòu)單元可應(yīng)用于應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域。

微環(huán)諧振腔; 絕緣體上硅; 力敏檢測(cè); 光波導(dǎo)

0 引 言

基于回音壁模式的硅基光波導(dǎo)微環(huán)腔由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、易集成等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在濾波器[1-2]、光調(diào)制器[3-4]、光開(kāi)關(guān)[5-7]、生物傳感檢測(cè)[8-9]、激光器[10-11]、光學(xué)陀螺[12-13]等領(lǐng)域，其在高靈敏度傳感方面具有很大前景，而基于硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微應(yīng)力測(cè)試儀[14]就是比較熱門的一種。

本文基于絕緣體上硅材料設(shè)計(jì)了不同半徑比的雙環(huán)微腔結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)一端固定約束，另一端施加微位移的方式產(chǎn)生應(yīng)力，通過(guò)理論分析以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試并結(jié)合有限元仿真，得出半徑比為3∶1的雙環(huán)結(jié)構(gòu)的靈敏度為80.26 pm/MPa，而半徑比為1∶1的雙環(huán)結(jié)構(gòu)的靈敏度高達(dá)128.87 pm/MPa，具有高的檢測(cè)靈敏度。

1 制備工藝

通過(guò)在SOI片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯PMMA4光刻膠，經(jīng)過(guò)電子束光刻、顯影、定影、深硅刻蝕等工藝相繼得到波導(dǎo)和光柵。制備光波導(dǎo)使用的SOI基片大小為15 mm×15 mm，頂層硅的厚度為220 nm，中間層二氧化硅厚度為3 μm，襯底硅厚度為675 μm。流片中選用的電子束光刻機(jī)為直寫式JBX5500ZA，該光刻機(jī)采用矢量掃描高斯型系統(tǒng)，工作時(shí)采用矢量掃描方式，電子束曝光無(wú)需掩膜，可實(shí)現(xiàn)低至10 nm的線寬圖形。硅刻蝕設(shè)備為深硅刻蝕機(jī)STS HRM，該設(shè)備用于硅材料的高速、大深寬比刻蝕，使得最終制備的波導(dǎo)側(cè)壁陡直度達(dá)到(89°±1°)。做好標(biāo)記的SOI基片經(jīng)過(guò)兩次電子束光刻、兩次深硅刻蝕首先做出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)而在波導(dǎo)的輸入和輸出端上刻出光柵以進(jìn)行光的耦合[15]。工藝中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)刻蝕深度為220 nm,光柵刻蝕深度為90～110 nm。圖1是冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡S-4800下的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光柵結(jié)構(gòu)。圖中波導(dǎo)寬度為500 nm，與直波導(dǎo)耦合的大環(huán)半徑為20 nm，微環(huán)與波導(dǎo)以及兩環(huán)間耦合的間隙為100 nm，光柵的周期為600 nm，半徑比為3∶1。

(a)整體形貌(b)耦合區(qū)域(c)光柵部分

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及仿真

實(shí)驗(yàn)采用垂直光柵耦合方式測(cè)試譜線漂移，首先激光器產(chǎn)生1 520～1 570 nm的紅外光經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)讲▽?dǎo)的輸入端，光纖采用單模透鏡光纖，末端呈75°錐形與波導(dǎo)輸入端的光柵進(jìn)行耦合，耦合時(shí)入射角傾斜10°左右。通過(guò)觀察紅外光CCD和長(zhǎng)焦距CCD并微調(diào)三維高精度隔震調(diào)節(jié)架對(duì)單模透鏡光纖位置及高度進(jìn)行調(diào)整，以使耦合效率達(dá)到最大值。通過(guò)光柵耦合進(jìn)波導(dǎo)的光進(jìn)而通過(guò)波導(dǎo)與微環(huán)的耦合在微環(huán)中產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生的透射光譜會(huì)在輸出端再次通過(guò)光柵耦合出來(lái)然后通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)最后在示波器上顯示輸出譜線。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

測(cè)試中所使用的激光器為New Focus TLB-6728-P，其波長(zhǎng)覆蓋范圍為1 520～1 570 nm，線寬低于200 kHz。每次施加相應(yīng)的微位移后，激光器由1 520 nm開(kāi)始以0.1 nm/s的速度進(jìn)行線性掃描隨即微環(huán)諧振腔會(huì)在特定波長(zhǎng)處發(fā)生諧振，輸出的透射光譜經(jīng)過(guò)一個(gè)低噪光電探測(cè)器New Focus 1811轉(zhuǎn)換后在示波器中顯示輸出譜線。半徑比為1∶1的雙環(huán)透射譜線如圖3所示。通過(guò)譜線漂移測(cè)得半徑比為1∶1的雙環(huán)透射譜線紅移數(shù)值如表1所示。

圖3 半徑比為1∶1的微腔諧振譜線圖

表1 半徑比為1∶1的雙環(huán)透射譜線紅移數(shù)值

通過(guò)譜線漂移測(cè)得半徑比為1∶1的雙環(huán)透射譜線紅移數(shù)值如表2所示。半徑比為3∶1的雙環(huán)透射譜線如圖4所示。

表2 半徑比為3∶1的雙環(huán)透射譜線紅移數(shù)值

使用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，徑向形變仿真如圖5所示，提取相應(yīng)微環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值與徑向形變值記錄見(jiàn)表3、4。

根據(jù)微環(huán)腔諧振方程：

2πRneff=qλm

(1)

式中:R為微環(huán)腔的半徑;neff為波導(dǎo)與微環(huán)腔的有效折射率;q為諧振級(jí)數(shù)，取正整數(shù)。對(duì)于一個(gè)確定的諧振級(jí)數(shù)q，當(dāng)R變化時(shí)，諧振波長(zhǎng)λm將隨之變化，即有：

2πΔRneff=qΔλm

(2)

當(dāng)微環(huán)腔徑向尺寸發(fā)生微形變時(shí)，諧振波長(zhǎng)將會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。將微環(huán)徑向形變與所受應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，見(jiàn)圖6。通過(guò)擬合得知，微環(huán)徑向形變與所受應(yīng)力成比例，即有:

圖4 半徑比為3∶1的微腔諧振譜線圖

圖5 半徑比為1∶1的微環(huán)徑向形變仿真

表4 半徑比為3∶1的雙環(huán)應(yīng)力及徑向形變的仿真數(shù)值

ΔR=Kσ

(3)

式中:K為比例因子;σ為微環(huán)所受應(yīng)力。將式(3)代入(2)得:

(4)

由此可知，微環(huán)透射譜線的紅移量與所受應(yīng)力呈線性關(guān)系。將測(cè)試的諧振譜線紅移量與應(yīng)力仿真數(shù)值進(jìn)行線性擬合，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)其具有很好的直線線性度，通過(guò)計(jì)算半徑比為3∶1的雙環(huán)微腔的靈敏度為80.26 pm/MPa，半徑比為1∶1的雙環(huán)微腔的靈敏度可達(dá)128.87 pm/MPa。

圖6 微環(huán)徑向形變與應(yīng)力關(guān)系

圖7 透射譜線紅移量與應(yīng)力關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)基于回音壁模式的硅基光波導(dǎo)微腔具有高靈敏度傳感的特性，利用電子束光刻和深硅刻蝕技術(shù)在SOI材料上制備出了不同半徑比的雙環(huán)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究了該結(jié)構(gòu)受到外力作用后透射譜線的漂移規(guī)律。測(cè)試時(shí)利用垂直光柵耦合進(jìn)行紅外光波的輸入和輸出并利用波長(zhǎng)掃描的方式觀察到了雙環(huán)結(jié)構(gòu)的透射譜線。通過(guò)Ansys應(yīng)力仿真及數(shù)據(jù)擬合，半徑比為3∶1的雙環(huán)微腔靈敏度為80.26 pm/MPa，半徑比為1∶1的雙環(huán)的靈敏度為128.87 pm/MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙環(huán)微腔敏感結(jié)構(gòu)單元具有較高的檢測(cè)靈敏度，可應(yīng)用于應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域，為后續(xù)硅基多環(huán)諧振腔的力學(xué)傳感研究提供了新思路。

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Stress Sensing Effect Based on Double Ring Resonators

ZHANGWei,TANGJun,LIUJian-hua,XUEChen-yang,LIULi-shuang

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory; Key laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study stress sensing properties of double micro-ring resonator, the double ring resonators with different radius ratio based on silicon-on-insulator are designed and fabricated. From the theoretical analysis， experimental test and finite element simulation， it can be concluded that the sensitivity of 80.26 pm/MPa has been achieved in the ring resonator structure whose radius ratio is 3∶1 , and the sensitivity of 128.87 pm/MPa has been obtained in the ring resonator structure whose radius ratio is 1∶1. The results indicate that the double ring resonators has a skyscraping characteristic of stress sensitivity so it can be applied in stress measurement fields.

micro-ring resonator; silicon-on-insulator; stress sensor; optical waveguide

2015-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目(91123036)；國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金(51225504)

張 偉(1990-)，男，山西汾陽(yáng)人，碩士生，主要從事光纖傳感與光學(xué)諧振腔的研究。

Tel.：1513516648;E-mail：zbdxzhangwei@163.com

劉麗雙(1967-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)镸EMS壓力傳感量、光纖傳感。

Tel.:0351-3924990;E-mail:lls@nuc.edu.cn

TN 815

A

1006-7167(2016)01-0047-03