微槽式光學諧振腔超聲傳感效應驗證*

吳博豐 崔建功 楚曉霞 祝 敏 趙榮宇 張文棟 張國軍 王任鑫 楊玉華

(中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室 太原 030051)

0 引言

近年來，超聲波由于具有穿透性強、靈敏度高、不易受黑暗、光線、煙霧、電磁場等外界環境因素干擾的特點，在金屬探傷[1-2]、海洋環境監測[3]、人工智能[4-6]、生物醫學、光聲成像[7]等領域發揮著至關重要的作用。超聲傳感器件的研究也成為一個熱點問題。

2007 年，Chao等[8]提出了一種聚合物微環諧振腔，通過彈光效應，改變波導的折射率，可以檢測50 MHz 換能器的寬帶超聲脈沖。2011 年，Ling等[9]通過阻流回流和低偏置連續蝕刻和鈍化工藝，獲得了側壁光滑的聚合物微腔。該微腔的品質因子(Q)達到了4×107，環的直徑為60 μm。2012 年，Monifi等[10]提出了一種利用低折射率聚合物進行封裝的帶有側耦合錐形光纖的二氧化硅微環諧振腔，并對其進行了超聲檢測，實現了12 MHz 的超聲波探測，裝置的靈敏度為-209 dB。2014年，Zhang等[11]提出了一種基于印跡聚合物的超聲探測器，它在-3 dB 下的聲響應帶寬可以達到350 MHz，并且該微環具有1.3×105的高Q值，表明了聚合物微型微環諧振腔可以成為一種高性能的超聲探測器。2014 年，Li等[12]為了克服醫學領域用于光聲顯微鏡的壓電超聲探測器體積大、不透明的缺點，提出了一種基于聚合物蓋玻片式光學透明超聲探測器，它能夠在140 MHz 帶寬范圍內進行高靈敏度超聲探測。2017 年，Kim等[13]基于光學環形微環諧振腔，通過非接觸的方式檢測空氣中的耦合超聲，成功檢測了到50 kHz 和800 kHz 的超聲信號。2018 年，Zhang等[14]提出了一種新型超聲波傳感器，與傳統的超聲波換能器相比具有更高的靈敏度。它由一個微槽波導和一個雙硅基絕緣襯底的微環諧振腔組成，Q值達到了1.24×106，靈敏度達到-172.2 dB。該傳感器對光聲顯微技術的研究有重要的參考價值。2021 年，Zhao等[15]提出了一種由懸臂梁結構槽式雙微環諧振器組成的新型超聲傳感器，其靈敏度可以達到-176 dB。該工作為水聽器設計提供了一種新的方案。2022 年，Ding等[16]在硅的絕緣體平臺上構建了微環諧振腔作為超聲傳感器，光刻出來的微環諧振腔的Q值為7.4×104，傳感器的靈敏度可以達到-194.7 dB。該方案提高了硅基環形腔超聲檢測的靈敏度和實用性。

本文基于波導腔的倏逝波效應，超聲波作用在微槽諧振腔耦合區后引起波長漂移的原理，對微槽式環形諧振腔進行了制備和超聲傳感效應測試。通過超聲換能器發出不同頻率的超聲波以及改變同一頻率下不同的聲壓值，觀察傳感器響應特性，進行超聲傳感效應驗證。該研究可以為水聲探測等領域提供關鍵技術支持。

1 微槽式諧振腔超聲傳感原理

光波導微槽式諧振腔結構主要由一個環形腔和一條直波導組成，如圖1 所示。光從直波導左端輸入，經過耦合區域時，由于倏逝波效應局部光耦合進入環形腔并在環內繼續傳輸，其余光沿直波導傳輸。當光在環形腔中傳輸一周的相移為2π時，環形腔耦合出去的光與直波導透射光發生干涉，對于滿足諧振條件式(1)所示的光將被局域在環形腔中，在環形腔內激勵出較強的光諧振模式，即諧振腔的光能量局域效應。

圖1 微槽式諧振腔結構和耦合模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the microring resonant cavity structure and coupling model

式(1)中，m代表共振級次，λ為輸入的光的波長，L是環形諧振腔的周長，n為波導的有效折射率。

假設輸入的光場強度為E1，進入環形腔內的光場強度為E2，繞環一周后的光場強度為E3，直波導輸出光場強度為E4。根據耦合器的傳輸矩陣理論[17]，E1、E2、E3和E4之間的關系為

式(2)中，t是透射系數，k是耦合系數，其滿足關系式|t2|+|k2|=1[18]。

環形諧振腔的傳遞函數T(φ)為

式(3)中，a為光在環形諧振腔中傳輸一周的振幅傳輸因子；φ是光在諧振腔中傳輸一周產生的相移：φ=βL，其中β是傳播常數。

環形諧振腔的Q為

式(4)中，f為輸入的光的頻率，fFWHM為諧振曲線的半高全寬(Full width at half maximum,FWHM)。

本文設計的微槽結構位于諧振腔耦合區上方，當超聲波作用于諧振腔微槽結構時，聲壓與倏逝波發生相互作用，引起有效折射率改變，導致傳感器共振波長發生漂移，波長漂移量可以表示為[19]

式(5)中，Δneff/neff是聲壓引起的折射率變化，Δλ/λ是由于聲壓引起的波長漂移。

2 傳感器的制備

光波導微槽式諧振腔的制備工藝如下：(1) 準備15.24 cm 的硅晶圓，在特定的溶液中進行超聲波清洗；(2) 通過等離子體增強化學氣相沉積(Plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)技術在硅晶圓表面形成非摻雜的二氧化硅薄膜作為波導的下包層；(3) 通過PECVD 在二氧化硅薄膜上制備較高折射率的摻鍺的二氧化硅作為芯層；(4) 在二氧化硅薄膜表面形成掩膜層，通過曝光、顯影、烘焙的方式，使掩膜上的圖形轉移到光刻膠表面；(5)采用電感耦合等離子體(Inductively coupled plasma,ICP)刻蝕技術刻蝕芯層；(6) 刻蝕完成后，再次通過PECVD技術生長上包層；(7) 將帶有微槽圖案的套刻板在芯層表面形成掩膜層，利用光刻工藝將圖形轉移到光刻膠上，通過ICP 刻蝕技術刻蝕二氧化硅，完成微槽結構的構建；(8) 通過玻璃套管對光纖和光波導微槽式諧振腔進行耦合。制備出來的器件實物圖如圖2(a)所示，環形波導腔的耦合間距為4.2 μm，微槽的大小為40 μm×40 μm。圖2(b)為諧振腔芯層截面的掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)圖，從圖中可以看出，加工得到的波導芯層截面為5.90 μm×5.99 μm。

圖2 加工得到的光波導微槽式諧振腔實物圖與耦合區截面圖Fig.2 Photos of the processed optical waveguide microgroove resonant cavity and cross-sectional view of the coupling zone

為檢驗器件的Q值，使用掃描電壓為1 V、頻率為10 Hz 的三角波對激光器進行掃描，得到傳感器的諧振譜線，如圖3 所示。通過對吸收峰進行洛倫茲曲線擬合，得到時間域上FWHM為0.00817 s，對應的掃描電壓差為0.167 V，激光器頻率調制系數為84 MHz/V，最終得到譜線的FWHM為14.03 MHz，器件的Q值為1.38×107。

圖3 光波導微槽式諧振腔的透射譜測試圖Fig.3 Transmission spectrum test diagram of optical waveguide microgroove resonant cavity

3 測試及結果分析

搭建的超聲傳感測試系統如圖4 所示，主要由兩部分組成：聲源系統以及聲信號解調系統。其中，聲源系統包括超聲換能器(HPCTN-710-20-II)、信號發生器(RIGOL,DG4000)，信號發生器用來驅動超聲換能器。信號解調系統包括激光器(NKT，中心波長為1550 nm)、衰減器、光電探測器(THORLABS)、數字濾波(Moku:Pro 數字濾波模塊)、示波器(Moku:Pro 示波器)。由NKT激光器發出中心波長為1550 nm 的激光進入到光波導微槽式諧振腔器件，經衰減器后輸入到光電探測器中，再由數字濾波模塊對信號進行放大濾波。超聲換能器的接收信號和光波導微槽式諧振腔的接收信號連接到示波器模塊進行顯示。采用比較校準法進行測試：超聲換能器具有發射聲信號和接收聲信號的作用，選一支標準超聲換能器和光波導微槽式諧振腔器件保持水平，同時對聲源3 cm處的超聲信號進行接收。

圖4 超聲傳感測試系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of ultrasound sensing test system

圖5 為900 kHz 聲信號下傳感器的超聲響應測試結果圖，從圖中可以看出，背景噪聲為-88 dB，聲信號幅值分別為10 Vpp、15 Vpp、20 Vpp時對應的信噪比為20 dB、24 dB、27 dB。實驗結果表明：微槽式環形諧振腔可以檢測到相應頻率的超聲信號，并且隨著信號幅值越大(即聲壓越大)，響應越明顯。

圖5 900 kHz 聲信號下傳感器的超聲響應測試結果圖Fig.5 Test result graph of ultrasonic response for the sensor under 900 kHz acoustic signal

對光波導微槽式諧振腔聲信號的靈敏度進行測試，同時采集用于接收的超聲換能器和光波導微槽式諧振腔的輸出信號，如圖6所示。

圖6 采集到的光波導微槽式諧振腔和超聲換能器的輸出信號圖Fig.6 Output signal diagram of the collected optical waveguide microgroove resonant cavity and ultrasonic transducer

靈敏度計算公式為

式(6)中，U0為光波導微槽式諧振腔輸出信號的幅值，UX為超聲換能器輸出信號的幅值，S0為標準超聲換能器的靈敏度，為-200.5 dB。

利用公式(6)可計算得到，在頻率為900 kHz時，器件靈敏度為-168 dB，即3.98 mV/Pa (0 dB@1 V/μPa)。

為了檢驗傳感器的超聲頻率響應平坦度，測試了800 kHz～1 MHz 范圍內的超聲信號響應。測試過程中，掃描頻率間隔為10 kHz，固定信號發生器的幅值為5 Vpp，測試結果如圖7 所示。從圖中可以看出，光波導微槽式諧振腔的聲傳感響應平坦，歸一化輸出波動在3 dB范圍內。表1比較了光波導微槽式諧振腔和先前研究的傳感器性能。結果表明，該傳感器具有高靈敏度、高Q值的優點。

表1 光波導微槽式諧振腔和先前研究的傳感器性能比較Table 1 Comparison of performance between optical waveguide microgroove resonant cavity and previously studied sensors

圖7 幅值為5 Vpp 時光波導微槽式諧振腔頻率響應曲線Fig.7 Frequency response curve of the optical waveguide microgroove resonant cavity at an amplitude of 5 Vpp

4 結論

本文研究了光波導微槽式諧振腔的超聲傳感效應。實驗結果表明，制備的傳感器Q值可以達到1.38×107，在900 kHz 聲信號作用下信噪比可以達到27 dB，靈敏度達到-168 dB。在800 kHz～1 MHz范圍內，聲傳感響應歸一化輸出波動在3 dB 范圍。本文提出的光波導微槽式諧振腔作為一種高Q值的光學超聲傳感器，在超聲成像、超聲探測、水聲信號探測等諸多領域具有良好的應用前景。