硅基双环谐振腔力敏传感特性实验研究

张 伟， 唐 军， 刘建华， 薛晨阳, 刘丽双

(中北大学 电子测试技术重点实验室; 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051)



硅基双环谐振腔力敏传感特性实验研究

张 伟， 唐 军， 刘建华， 薛晨阳, 刘丽双

(中北大学 电子测试技术重点实验室; 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051)

为研究双环谐振腔结构力敏传感特性，设计了不同半径比的基于绝缘衬底上硅的双环微腔结构。通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真得出：半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa；而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 pm/MPa，具有高的检测灵敏度，表明双环微腔敏感结构单元可应用于应力检测领域。

微环谐振腔; 绝缘体上硅; 力敏检测; 光波导

0 引 言

基于回音壁模式的硅基光波导微环腔由于其结构简单、灵敏度高、易集成等特点而被广泛应用在滤波器[1-2]、光调制器[3-4]、光开关[5-7]、生物传感检测[8-9]、激光器[10-11]、光学陀螺[12-13]等领域，其在高灵敏度传感方面具有很大前景，而基于硅基光波导结构的微应力测试仪[14]就是比较热门的一种。

本文基于绝缘体上硅材料设计了不同半径比的双环微腔结构，对结构一端固定约束，另一端施加微位移的方式产生应力，通过理论分析以及实验测试并结合有限元仿真，得出半径比为3∶1的双环结构的灵敏度为80.26 pm/MPa，而半径比为1∶1的双环结构的灵敏度高达128.87 pm/MPa，具有高的检测灵敏度。

1 制备工艺

通过在SOI片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯PMMA4光刻胶，经过电子束光刻、显影、定影、深硅刻蚀等工艺相继得到波导和光栅。制备光波导使用的SOI基片大小为15 mm×15 mm，顶层硅的厚度为220 nm，中间层二氧化硅厚度为3 μm，衬底硅厚度为675 μm。流片中选用的电子束光刻机为直写式JBX5500ZA，该光刻机采用矢量扫描高斯型系统，工作时采用矢量扫描方式，电子束曝光无需掩膜，可实现低至10 nm的线宽图形。硅刻蚀设备为深硅刻蚀机STS HRM，该设备用于硅材料的高速、大深宽比刻蚀，使得最终制备的波导侧壁陡直度达到(89°±1°)。做好标记的SOI基片经过两次电子束光刻、两次深硅刻蚀首先做出波导结构进而在波导的输入和输出端上刻出光栅以进行光的耦合[15]。工艺中，波导结构刻蚀深度为220 nm,光栅刻蚀深度为90～110 nm。图1是冷场发射扫描电子显微镜S-4800下的波导结构和光栅结构。图中波导宽度为500 nm，与直波导耦合的大环半径为20 nm，微环与波导以及两环间耦合的间隙为100 nm，光栅的周期为600 nm，半径比为3∶1。

(a)整体形貌(b)耦合区域(c)光栅部分

2 实验测试及仿真

实验采用垂直光栅耦合方式测试谱线漂移，首先激光器产生1 520～1 570 nm的红外光经过光纤传输到波导的输入端，光纤采用单模透镜光纤，末端呈75°锥形与波导输入端的光栅进行耦合，耦合时入射角倾斜10°左右。通过观察红外光CCD和长焦距CCD并微调三维高精度隔震调节架对单模透镜光纤位置及高度进行调整，以使耦合效率达到最大值。通过光栅耦合进波导的光进而通过波导与微环的耦合在微环中产生谐振，产生的透射光谱会在输出端再次通过光栅耦合出来然后通过光电探测器转换为电信号最后在示波器上显示输出谱线。实验装置见图2。

图2 实验装置图

测试中所使用的激光器为New Focus TLB-6728-P，其波长覆盖范围为1 520～1 570 nm，线宽低于200 kHz。每次施加相应的微位移后，激光器由1 520 nm开始以0.1 nm/s的速度进行线性扫描随即微环谐振腔会在特定波长处发生谐振，输出的透射光谱经过一个低噪光电探测器New Focus 1811转换后在示波器中显示输出谱线。半径比为1∶1的双环透射谱线如图3所示。通过谱线漂移测得半径比为1∶1的双环透射谱线红移数值如表1所示。

图3 半径比为1∶1的微腔谐振谱线图

表1 半径比为1∶1的双环透射谱线红移数值

通过谱线漂移测得半径比为1∶1的双环透射谱线红移数值如表2所示。半径比为3∶1的双环透射谱线如图4所示。

表2 半径比为3∶1的双环透射谱线红移数值

使用Ansys有限元分析软件进行结构建模，径向形变仿真如图5所示，提取相应微环结构的应力值与径向形变值记录见表3、4。

根据微环腔谐振方程：

2πRneff=qλm

(1)

式中:R为微环腔的半径;neff为波导与微环腔的有效折射率;q为谐振级数，取正整数。对于一个确定的谐振级数q，当R变化时，谐振波长λm将随之变化，即有：

2πΔRneff=qΔλm

(2)

当微环腔径向尺寸发生微形变时，谐振波长将会产生漂移现象。将微环径向形变与所受应力进行线性拟合，见图6。通过拟合得知，微环径向形变与所受应力成比例，即有:

图4 半径比为3∶1的微腔谐振谱线图

图5 半径比为1∶1的微环径向形变仿真

表4 半径比为3∶1的双环应力及径向形变的仿真数值

ΔR=Kσ

(3)

式中:K为比例因子;σ为微环所受应力。将式(3)代入(2)得:

(4)

由此可知，微环透射谱线的红移量与所受应力呈线性关系。将测试的谐振谱线红移量与应力仿真数值进行线性拟合，如图7所示，发现其具有很好的直线线性度，通过计算半径比为3∶1的双环微腔的灵敏度为80.26 pm/MPa，半径比为1∶1的双环微腔的灵敏度可达128.87 pm/MPa。

图6 微环径向形变与应力关系

图7 透射谱线红移量与应力关系

3 结 语

本文针对基于回音壁模式的硅基光波导微腔具有高灵敏度传感的特性，利用电子束光刻和深硅刻蚀技术在SOI材料上制备出了不同半径比的双环波导结构，研究了该结构受到外力作用后透射谱线的漂移规律。测试时利用垂直光栅耦合进行红外光波的输入和输出并利用波长扫描的方式观察到了双环结构的透射谱线。通过Ansys应力仿真及数据拟合，半径比为3∶1的双环微腔灵敏度为80.26 pm/MPa，半径比为1∶1的双环的灵敏度为128.87 pm/MPa，实验结果表明,双环微腔敏感结构单元具有较高的检测灵敏度，可应用于应力检测领域，为后续硅基多环谐振腔的力学传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

国家自然科学基金重点支持项目(91123036)；国家自然科学基金杰出青年基金(51225504)

张 伟(1990-)，男，山西汾阳人，硕士生，主要从事光纤传感与光学谐振腔的研究。

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

刘丽双(1967-),女,内蒙古赤峰人,博士,高级工程师,研究方向为MEMS压力传感量、光纤传感。

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

TN 815

A

1006-7167(2016)01-0047-03