硅基雙環(huán)諧振腔力敏傳感特性實驗研究

張 偉， 唐 軍， 劉建華， 薛晨陽, 劉麗雙

(中北大學 電子測試技術重點實驗室; 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051)

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硅基雙環(huán)諧振腔力敏傳感特性實驗研究

張 偉， 唐 軍， 劉建華， 薛晨陽, 劉麗雙

(中北大學 電子測試技術重點實驗室; 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051)

為研究雙環(huán)諧振腔結構力敏傳感特性，設計了不同半徑比的基于絕緣襯底上硅的雙環(huán)微腔結構。通過理論分析以及實驗測試并結合有限元仿真得出：半徑比為3∶1的雙環(huán)結構的靈敏度為80.26 pm/MPa；而半徑比為1∶1的雙環(huán)結構的靈敏度高達128.87 pm/MPa，具有高的檢測靈敏度，表明雙環(huán)微腔敏感結構單元可應用于應力檢測領域。

微環(huán)諧振腔; 絕緣體上硅; 力敏檢測; 光波導

0 引 言

基于回音壁模式的硅基光波導微環(huán)腔由于其結構簡單、靈敏度高、易集成等特點而被廣泛應用在濾波器[1-2]、光調制器[3-4]、光開關[5-7]、生物傳感檢測[8-9]、激光器[10-11]、光學陀螺[12-13]等領域，其在高靈敏度傳感方面具有很大前景，而基于硅基光波導結構的微應力測試儀[14]就是比較熱門的一種。

本文基于絕緣體上硅材料設計了不同半徑比的雙環(huán)微腔結構，對結構一端固定約束，另一端施加微位移的方式產生應力，通過理論分析以及實驗測試并結合有限元仿真，得出半徑比為3∶1的雙環(huán)結構的靈敏度為80.26 pm/MPa，而半徑比為1∶1的雙環(huán)結構的靈敏度高達128.87 pm/MPa，具有高的檢測靈敏度。

1 制備工藝

通過在SOI片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯PMMA4光刻膠，經過電子束光刻、顯影、定影、深硅刻蝕等工藝相繼得到波導和光柵。制備光波導使用的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為直寫式JBX5500ZA，該光刻機采用矢量掃描高斯型系統(tǒng)，工作時采用矢量掃描方式，電子束曝光無需掩膜，可實現(xiàn)低至10 nm的線寬圖形。硅刻蝕設備為深硅刻蝕機STS HRM，該設備用于硅材料的高速、大深寬比刻蝕，使得最終制備的波導側壁陡直度達到(89°±1°)。做好標記的SOI基片經過兩次電子束光刻、兩次深硅刻蝕首先做出波導結構進而在波導的輸入和輸出端上刻出光柵以進行光的耦合[15]。工藝中，波導結構刻蝕深度為220 nm,光柵刻蝕深度為90～110 nm。圖1是冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡S-4800下的波導結構和光柵結構。圖中波導寬度為500 nm，與直波導耦合的大環(huán)半徑為20 nm，微環(huán)與波導以及兩環(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 實驗測試及仿真

實驗采用垂直光柵耦合方式測試譜線漂移，首先激光器產生1 520～1 570 nm的紅外光經過光纖傳輸?shù)讲▽У妮斎攵耍饫w采用單模透鏡光纖，末端呈75°錐形與波導輸入端的光柵進行耦合，耦合時入射角傾斜10°左右。通過觀察紅外光CCD和長焦距CCD并微調三維高精度隔震調節(jié)架對單模透鏡光纖位置及高度進行調整，以使耦合效率達到最大值。通過光柵耦合進波導的光進而通過波導與微環(huán)的耦合在微環(huán)中產生諧振，產生的透射光譜會在輸出端再次通過光柵耦合出來然后通過光電探測器轉換為電信號最后在示波器上顯示輸出譜線。實驗裝置見圖2。

圖2 實驗裝置圖

測試中所使用的激光器為New Focus TLB-6728-P，其波長覆蓋范圍為1 520～1 570 nm，線寬低于200 kHz。每次施加相應的微位移后，激光器由1 520 nm開始以0.1 nm/s的速度進行線性掃描隨即微環(huán)諧振腔會在特定波長處發(fā)生諧振，輸出的透射光譜經過一個低噪光電探測器New Focus 1811轉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。通過譜線漂移測得半徑比為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

通過譜線漂移測得半徑比為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有限元分析軟件進行結構建模，徑向形變仿真如圖5所示，提取相應微環(huán)結構的應力值與徑向形變值記錄見表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為波導與微環(huán)腔的有效折射率;q為諧振級數(shù)，取正整數(shù)。對于一個確定的諧振級數(shù)q，當R變化時，諧振波長λm將隨之變化，即有：

2πΔRneff=qΔλm

(2)

當微環(huán)腔徑向尺寸發(fā)生微形變時，諧振波長將會產生漂移現(xiàn)象。將微環(huán)徑向形變與所受應力進行線性擬合，見圖6。通過擬合得知，微環(huán)徑向形變與所受應力成比例，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力呈線性關系。將測試的諧振譜線紅移量與應力仿真數(shù)值進行線性擬合，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)其具有很好的直線線性度，通過計算半徑比為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128.87 pm/MPa。

圖6 微環(huán)徑向形變與應力關系

圖7 透射譜線紅移量與應力關系

3 結 語

本文針對基于回音壁模式的硅基光波導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在SOI材料上制備出了不同半徑比的雙環(huán)波導結構，研究了該結構受到外力作用后透射譜線的漂移規(guī)律。測試時利用垂直光柵耦合進行紅外光波的輸入和輸出并利用波長掃描的方式觀察到了雙環(huán)結構的透射譜線。通過Ansys應力仿真及數(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，實驗結果表明,雙環(huán)微腔敏感結構單元具有較高的檢測靈敏度，可應用于應力檢測領域，為后續(xù)硅基多環(huán)諧振腔的力學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

國家自然科學基金重點支持項目(91123036)；國家自然科學基金杰出青年基金(51225504)

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

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

劉麗雙(1967-),女,內蒙古赤峰人,博士,高級工程師,研究方向為MEMS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