硅基微環腔用于廣播發射機溫度測量的技術研究

李朋昌，張羽

(國家廣播電視總局552臺，福州 350007)

1 引言

DX600發射機多采用電流電壓型傳感器測量溫度。在PB部分多采用LM35DH測量空氣溫度，其輸出電壓為攝氏溫標。電源供應模式有單電源和雙電源兩種，正負雙電源供電模式可提供負溫度的測量。在阻隔負載部分使用的是PT100溫度傳感器。PT100是電阻性溫度傳感器，多使用于自動化控制系統。目前DX600使用的溫度傳感器均需要外加電源，容易受到高壓高頻環境的影響。如合成器的模式開關簧片長時間工作于高溫環境下，容易變脆斷裂，造成嚴重的停機事故。但卻受環境的限制一直缺少有效的監控手段。以硅材料發展起來的新型材料可以有效的解決這一難題。

2 硅光子學及絕緣硅基波導

硅光子技術具有低成本、高速等特點，而且可以通過硅基微環腔制成的激光器代替電信號的傳輸。硅光子采用的主要材料是二氧化硅。由絕緣硅基波導構成的光波導具有折射率差大、光能限制性強等優點，而且絕緣硅基波導(SOI)具有天然的氧化層，在通訊波段傳輸能量損耗很小，很容易和外部控制部件連接。

絕緣硅基波導(SOI)是指具有在一絕緣襯底上再生長一層單晶硅薄膜，或者是單晶硅薄膜被一絕緣層(通常是Si02)從支撐的硅襯底中分開這樣結構的材料[1]。絕緣硅基波導結構在通信波段可以作為很好的導光媒介，而且絕緣硅基波導的制備比較廉價，同時它可以和電子技術有很好的兼容性，因此，絕緣硅基波導被認為是生產MOs晶體管的理想襯底材料。在 SOI中，由于絕緣的Si02下覆蓋層折射率遠小于Si的折射率，使得SOI在光傳播的垂直方向上對光場有很強的限制作用，因而具有優異的導波特性[2]。

3 硅基微環腔的參數

3.1 諧振波長及頻率

光首先在直波導中傳播，進入微環腔內進行全反射，當諧振波長滿足方程時發生諧振：

2πRneff=qλm，neff=β/k0

(1)

R表示微環腔的半徑，q表示光學諧振腔的不同模式，neff表示微環腔的有效折射率，β表示波導的傳播常數。當波長是諧振腔半徑的整數倍時，發生諧振。諧振頻率：

(2)

3.2 自由光譜范圍FSR

自由光譜范圍是指相鄰兩個諧振峰之間的波長或是諧振頻率之間的間隔。兩個相鄰的諧振峰可以表示為：

neff12πR=Mλ1，neff22πR=Mλ2

(3)

其中neff1和neff2分別表示微環諧振腔相鄰的兩個諧振峰的有效折射率。自由頻譜寬度用波長可以表示為：

FSR(λ)=λ1-λ2

(4)

將帶入得：

(5)

(6)

(7)

3.3 半高全寬FWHM

半高全寬FWHM是指微環諧振腔輸出峰值功率的一半的兩光波差或頻率差值。半高全寬也稱為3dB帶寬[3]。

圖1 微環腔諧振譜線

(8)

其中，k2表示波導耦合進微環腔的耦合系數。

3.4 精細度F

微環腔的精細度(F)是指自由譜線寬度(FSR)與諧振峰半高全寬(FWHM)的比值。

(9)

根據FSR(λ)與微環腔的品質因數Q的關系，可以得到：

(10)

精細度主要通過諧振光譜的尖銳程度體現。

3.5 品質因數Q

微環諧振腔的品質因數Q是衡量光學諧振腔能量存儲能力的重要參數。根據光學微環諧振腔對進入其內部的能量的存儲時間，Q可以表示如下：

(11)

其中，ω是微環諧振腔的諧振角頻率，U是微環諧振腔內部存儲的光能量，P=-du/dt表示單位時間內的光能損失量，τ是光子壽命。

同時品質因數Q可以通過微環諧振腔譜線的半高全寬表示：

(12)

這是比較常用的一種計算Q值的方法，我們只需要測得諧振峰尖端的波長和該諧振峰的半寬就可以得到諧振腔的品質因數Q。Q值越大表示該諧振峰越尖銳，而且該諧振峰的諧振帶更窄。

4 利用Comsol軟件模擬硅基微環腔的溫度特性

4.1 硅基微環腔模型的建立

環形諧振腔由微環和直波導構成。其結構可以劃分為兩部分：環形諧振腔和耦合區域。環形諧振腔是一種首尾相連而形成的尺寸在微米量級的光波導[4]。光被限制在環形諧振腔中傳播。直波導我們設計為9umX0.5um的矩形，微環腔是由兩個圓環組成半徑分別為4um和3.5um。直波導和微環腔直接的距離為0.2um。設計圖形如下。

圖2 模擬結構圖形

我們用Comsol軟件進行模擬計算，首先打開Comsol軟件，創建一個新的工程，選擇二維圖形，然后增加電磁波物理場，求解類型設定為頻域。然后在繪圖區繪制圖形4-1。下一步，我們添加材料的屬性，在電磁模型選項中添加折射率，電磁波的位移場模型選為折射率，εr=(n-ik)2，σ=0，μr=1。折射率和折射率虛部根據材料進行設置。空氣的折射率設定為1，波導和微環腔的折射率由公式：確定。波導和微環腔的折射率虛部由經驗公式知：10-5 。設置微環腔的外圍矩形為完美電導體，選擇直波導的上端為入射端，網格尺寸定義為特備細化。在求解步驟中設置需要計算的頻域范圍和步長，右鍵求解進行計算。

4.2 利用Comsol Multiphsics軟件模擬

首先我們利用圖4-1為基礎，設置微環腔內圓半徑r1=3.5um，外圓半徑r2=4um，直波導寬度為d=0.5um，耦合距離為l=0.2um。很據折射率公式：

(13)

我們可以得到硅的有效折射率：

(14)

為了驗證折射率公式的正確性，我們用Origin軟件繪制了折射率曲線圖并與硅的實際折射率進行對比：

圖3 折射率隨波長的變化曲線

將它輸入Comsol Multiphsics軟件材料屬性中，考慮到光的損耗問題，我們同樣引入了折射率虛部，其大小為10-5。然后對其進行計算，在導出數據時我們考慮到結果的穩定性，首先我們選擇一維繪圖組中的點繪圖，根據不同的需要我們可以得到頻率與輸出電場強度的關系圖像和波長與輸出電場強度的關系圖像。此時我們選擇了頻率與電場強度的關系圖像，由于個別點的關系圖像存在偶然性，所系我們接下來在二維邊上取平均值，于是我們分別得到了硅基微環腔的諧振圖形和頻率與輸出電場強度的關系圖像：

圖4 諧振圖形

圖5 頻率與輸出電場強度的關系圖形

此時我們得到的是最原始的數據圖形，現在我們要對其進行處理。首先我們考慮到實際應用問題，為了使數據能夠更加能夠反映實際生活問題，我們將電場強度轉化為輸出光強度，根據公式：

(15)

然后利用Origin軟件繪制了波長和輸出光強度的關系圖6。

圖6 波長與輸出光強度關系曲線

當我們判斷硅基微環腔耦合程度的好壞時，通常采用比較Q 值得大小，利用Q值計算公式：

(16)

為了計算方便我們將圖像部分放大，得到如下圖像：

圖7 微環腔諧振譜線

通過Origin軟件進行測量我們得到：

λ=2.4952175um，FWHM=0.00026195um。

帶入公式

得Q=9525.5。

我們進行了另外一組數據的測量：

λ=2.01586805um，FWHM=0.00028694um。

帶入公式

得Q=7025.4。

由Q值和圖6我們可以得出：此時直波導與微環腔發生了強耦合，在波長λ=2.4952175um時，諧振峰尖峰很尖銳，說明它對光有很強的儲存能力。利用高Q值可以制作高靈敏度的傳感器而且可以廣泛應用于電子通訊和醫療領域。

由圖像分析可知，在其他條件不變的情況下，我們發現波長和輸出光強度的最佳耦合圖像在半徑趨向于4um時，耦合最強。因此在其他參數確定的情況下，微環腔的半徑并不是越大或者越小越好，而是趨向于一個穩定值附近。

圖8 半徑分別為3.5um，4um，5um的波長和輸出光強度圖形

4.3 在模型中引入溫度變量

我們知道材料的折射率會隨著溫度的變化而改變，而且散熱是集成化電路需要克服的重大挑戰，現在人們致力于研究無熱設備。

我們以微環諧振器為例，已知硅有非常大的熱光系數，dn/dT=1.8×10-4/℃。波長和溫度的關系可以用下下式表示：

(17)

其中λm是共振波長，neff是波導的有效折射率，S是光纖的長度定義為S=neff·L，αsub是材料的膨脹系數，ng是波導的群折射率。將帶入得到折射率隨溫度的變化關系為：

(18)

首先我們利用Origin軟件繪制了在不同溫度條件下，波長和折射率的關系曲線，圖9如下：

圖9 不同溫度下波長和折射率的關系曲線

從圖中我們可以看出，隨著溫度的增加，在相同波長時的折射率會增大，利用這個原理我們制作各種傳感器，溫控開關，光信息傳輸等領域。

然后將輸入Comsol Multiphysics軟件，將材料屬性中的折射率修改為與溫度有關的變量，然后分別計算量在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃時波長與輸出光強度之間的關系。經過數據處理我們得到了如圖10。

圖10 r1=4um，r2=3.5um，耦合距離為L=0.2um，直波導寬度d=0.5um的波長與輸出光強度圖形

我們截取部分圖形進行放大，如圖11。

圖11 r1=4um，r2=3.5um，耦合距離為L=0.2um，直波導寬度d=0.5um的波長與輸出光強度的部分截取圖形

從圖中我們可以看出隨著溫度的變化，當溫度升高時波長與輸出光強度曲線向右發生了平移。為了使數據更具有說服力，避免偶然性的存在，我們改變了直波導與微環腔的耦合距離，設置L=0.1um。我們得到了如下的圖12。

圖12 r1=4um，r2=3.5um，耦合距離L=0.1um，直波導寬度d=0.5um的波長與輸出光強度圖形

同樣我們截取了部分圖形進行放大處理，得到如下圖13。

圖13 r1=4um，r2=3.5um，耦合距離L=0.1um，直波導寬度d=0.5um的波長與輸出光強度的分布截取圖形

通過圖11和圖13的對比我們發現，在不同的耦合距離下，當溫度升高時波長與輸出光強度曲線都向右發生了平移。

經過多次模擬計算發現，在給定的波長下，硅基微環腔的折射率和溫度成線性變化。如：λ=850nm時，折射率和溫度的變化曲線如圖14。

圖14 折射率隨溫度的變化

溫度每升高1℃，折射率發生0.0006189的變化。

5 結束語

根據硅基微環腔折射率和溫度的變化曲線，在輸入光強確定的情況下，可以根據折射率的變化計算出實時的溫度。由于傳統的傳感器無法在高頻高壓情況下正常工作，但利用硅基微環諧振腔制成的溫度傳感器具有抗高頻高壓的特性，可以用于監測DX-600發射機中的高頻高壓電子元器件(如功放單元輸出匹配柜或并機柜中的真空電容、電感以及模式開關等)。在發射機日常維護中，這些部件是實時監測的難點，利用硅基材料的特性可以實現實時監測這些部件的溫度變化，便于及時采取有效應對措施，避免或縮短播音過程中因器件過熱損毀而導致較長的停播事故，為保障電臺安全播出工作提供一種方案。