微槽式光学谐振腔超声传感效应验证.pdf
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1、第 42 卷 第 5 期Vol.42,No.52023 年 9 月Journal of Applied AcousticsSeptember,2023 研究报告 微槽式光学谐振腔超声传感效应验证吴博丰崔建功楚晓霞祝 敏赵荣宇张文栋张国军王任鑫杨玉华(中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051)摘要:光学微腔的高灵敏度主要源于其结构在时间和空间上对光场的局域增强作用和频率选择作用。其结构在垂直于波导方向上形成了高反射的边界,进而形成了一种回声腔,使光在波导内来回反射,从而增强了波导内部的光场强度。当外界存在微小的压力波动时,它将引起波导内部的介电常数和压力场的变化,从而改变谐振腔
2、内的模式场分布和传输特性,据此可以实现对微小的压力波动进行高灵敏度检测。该文设计了一种高品质因子(Q)的光波导微槽式环形谐振腔超声传感器,完成器件制备并搭建了测试系统,依据倏逝波效应实现了超声探测。测试结果表明,该传感器的Q为1.38107,在800 kHz1 MHz范围内响应平坦,在900 kHz 的信噪比可以达到27 dB,灵敏度达到168 dB。该文设计的传感器可以为水声探测等领域的研究提供关键技术支持。关键词:高品质因子;微槽式谐振腔;倏逝波效应;超声传感中图法分类号:TN256文献标识码:A文章编号:1000-310X(2023)05-0999-06DOI:10.11684/j.is
3、sn.1000-310X.2023.05.013Verification of ultrasonic sensing effect in microgroove optical resonant cavityWU BofengCUI JiangongCHU XiaoxiaZHU MinZHAO RongyuZHANG WendongZHANG GuojunWANG RenxinYANG Yuhua(State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,Chi
4、na)Abstract:The high sensitivity of optical microcavities is mainly due to its structures localized enhancementand frequency selection effects on the optical field in both time and space.Its structure forms a highly reflectiveboundary perpendicular to the waveguide direction,forming an echo cavity t
5、hat allows light to reflect back andforth within the waveguide,thereby enhancing the intensity of the light field inside the waveguide.When thereare small pressure fluctuations outside,it will cause changes in the dielectric constant and pressure field insidethe waveguide,thereby changing the mode f
6、ield distribution and transmission characteristics in the resonantcavity.Based on this,high sensitivity detection of small pressure fluctuations can be achieved.In this paper,a high quality factor(Q)optical waveguide microgroove resonant cavity ultrasonic sensor is designed,and thedevice preparation
7、 and testing system are completed.The ultrasound detection was achieved based on theevanescent wave effect.The experimental results demonstrate that the sensor has a quality factor of 1.38107,with a flat frequency response from 800 kHz to 1 MHz,a signal-to-noise ratio of 27 dB at 900 kHz,and asensit
8、ivity of 168 dB.The designed sensor provides key technical support for research in underwater acousticdetection and other related fields.Keywords:High quality factors;Microslot resonator;Evanescent field effect;Ultrasonic sensing2023-04-25收稿;2023-06-13定稿国家自然科学基金面上项目(62274149),山西省基础研究计划资助项目(202103021
9、224203),山西省“1331工程”重点学科建设计划资助项目作者简介:吴博丰(1996),男,吉林榆树人,硕士研究生,研究方向:光学微腔传感。通信作者 E-mail:10002023 年 9 月0 引言近年来,超声波由于具有穿透性强、灵敏度高、不易受黑暗、光线、烟雾、电磁场等外界环境因素干扰的特点,在金属探伤12、海洋环境监测3、人工智能46、生物医学、光声成像7等领域发挥着至关重要的作用。超声传感器件的研究也成为一个热点问题。2007年,Chao等8提出了一种聚合物微环谐振腔,通过弹光效应,改变波导的折射率,可以检测50 MHz换能器的宽带超声脉冲。2011年,Ling等9通过阻流回流和低
10、偏置连续蚀刻和钝化工艺,获得了侧壁光滑的聚合物微腔。该微腔的品质因子(Q)达到了4 107,环的直径为60 m。2012年,Monifi等10提出了一种利用低折射率聚合物进行封装的带有侧耦合锥形光纤的二氧化硅微环谐振腔,并对其进行了超声检测,实现了12 MHz 的超声波探测,装置的灵敏度为209 dB。2014年,Zhang等11提出了一种基于印迹聚合物的超声探测器,它在3 dB下的声响应带宽可以达到350 MHz,并且该微环具有1.3 105的高Q值,表明了聚合物微型微环谐振腔可以成为一种高性能的超声探测器。2014 年,Li等12为了克服医学领域用于光声显微镜的压电超声探测器体积大、不透明
11、的缺点,提出了一种基于聚合物盖玻片式光学透明超声探测器,它能够在140 MHz带宽范围内进行高灵敏度超声探测。2017年,Kim等13基于光学环形微环谐振腔,通过非接触的方式检测空气中的耦合超声,成功检测了到50 kHz和800 kHz的超声信号。2018年,Zhang等14提出了一种新型超声波传感器,与传统的超声波换能器相比具有更高的灵敏度。它由一个微槽波导和一个双硅基绝缘衬底的微环谐振腔组成,Q值达到了1.24 106,灵敏度达到172.2 dB。该传感器对光声显微技术的研究有重要的参考价值。2021 年,Zhao等15提出了一种由悬臂梁结构槽式双微环谐振器组成的新型超声传感器,其灵敏度可
12、以达到176 dB。该工作为水听器设计提供了一种新的方案。2022年,Ding等16在硅的绝缘体平台上构建了微环谐振腔作为超声传感器,光刻出来的微环谐振腔的Q值为7.4 104,传感器的灵敏度可以达到194.7 dB。该方案提高了硅基环形腔超声检测的灵敏度和实用性。本文基于波导腔的倏逝波效应,超声波作用在微槽谐振腔耦合区后引起波长漂移的原理,对微槽式环形谐振腔进行了制备和超声传感效应测试。通过超声换能器发出不同频率的超声波以及改变同一频率下不同的声压值,观察传感器响应特性,进行超声传感效应验证。该研究可以为水声探测等领域提供关键技术支持。1微槽式谐振腔超声传感原理光波导微槽式谐振腔结构主要由一
13、个环形腔和一条直波导组成,如图1所示。光从直波导左端输入,经过耦合区域时,由于倏逝波效应局部光耦合进入环形腔并在环内继续传输,其余光沿直波导传输。当光在环形腔中传输一周的相移为2时,环形腔耦合出去的光与直波导透射光发生干涉,对于满足谐振条件式(1)所示的光将被局域在环形腔中,在环形腔内激励出较强的光谐振模式,即谐振腔的光能量局域效应。m=nL,(1)式(1)中,m代表共振级次,为输入的光的波长,L是环形谐振腔的周长,n为波导的有效折射率。EE2E3EInOut?图1微槽式谐振腔结构和耦合模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the microring reso-nan
14、t cavity structure and coupling model假设输入的光场强度为E1,进入环形腔内的光场强度为E2,绕环一周后的光场强度为E3,直波导输出光场强度为E4。根据耦合器的传输矩阵理论17,E1、E2、E3和E4之间的关系为E1E4=tikiktE3E2,(2)第42卷 第5期吴博丰等:微槽式光学谐振腔超声传感效应验证1001式(2)中,t是透射系数,k是耦合系数,其满足关系式|t2|+|k2|=118。环形谐振腔的传递函数T()为T()=?E4E1?2=t2+a2 2atcos1+a2t2 2atcos,(3)式(3)中,a为光在环形谐振腔中传输一周的振幅传输因子;是
15、光在谐振腔中传输一周产生的相移:=L,其中 是传播常数。环形谐振腔的Q为Q=ffFWHM=nLarccos2at1+a2t2,(4)式(4)中,f 为输入的光的频率,fFWHM为谐振曲线的半高全宽(Full width at half maximum,FWHM)。本文设计的微槽结构位于谐振腔耦合区上方,当超声波作用于谐振腔微槽结构时,声压与倏逝波发生相互作用,引起有效折射率改变,导致传感器共振波长发生漂移,波长漂移量可以表示为19=neffneff,(5)式(5)中,neff/neff是声压引起的折射率变化,/是由于声压引起的波长漂移。2 传感器的制备光波导微槽式谐振腔的制备工艺如下:(1)准
16、备15.24 cm的硅晶圆,在特定的溶液中进行超声波清洗;(2)通过等离子体增强化学气相沉积(Plasmaenhanced chemical vapor deposition,PECVD)技术在硅晶圆表面形成非掺杂的二氧化硅薄膜作为波导的下包层;(3)通过PECVD在二氧化硅薄膜上制备较高折射率的掺锗的二氧化硅作为芯层;(4)在二氧化硅薄膜表面形成掩膜层,通过曝光、显影、烘焙的方式,使掩膜上的图形转移到光刻胶表面;(5)采用电感耦合等离子体(Inductively coupledplasma,ICP)刻蚀技术刻蚀芯层;(6)刻蚀完成后,再次通过PECVD技术生长上包层;(7)将带有微槽图案的套
17、刻板在芯层表面形成掩膜层,利用光刻工艺将图形转移到光刻胶上,通过ICP 刻蚀技术刻蚀二氧化硅,完成微槽结构的构建;(8)通过玻璃套管对光纤和光波导微槽式谐振腔进行耦合。制备出来的器件实物图如图2(a)所示,环形波导腔的耦合间距为4.2 m,微槽的大小为40 m40 m。图2(b)为谐振腔芯层截面的扫描电子显微镜(Scanningelectron microscope,SEM)图,从图中可以看出,加工得到的波导芯层截面为5.90 m5.99 m。为检验器件的Q值,使用扫描电压为1 V、频率为10 Hz的三角波对激光器进行扫描,得到传感器的谐振谱线,如图3所示。通过对吸收峰进行洛伦兹曲线拟合,得到
18、时间域上FWHM为 0.00817 s,对应的扫描电压差为0.167 V,激光器频率调制系数为84 MHz/V,最终得到谱线的FWHM为14.03 MHz,器件的Q值为1.38 107。(a)?(b)?SEM?m?10?mm?m?图2加工得到的光波导微槽式谐振腔实物图与耦合区截面图Fig.2 Photos of the processed optical waveguide microgroove resonant cavity and cross-sectionalview of the coupling zone10022023 年 9 月-0.04-0.03-0.02-0.0100.01
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