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基于集成氮化硅微腔的光学传感芯片研究

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计测技术传感器及校准

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doi : 10. 11823/j. i回n.1674 -5795.2018.01. 02 基于集成氮化硅微腔的光学传感芯片研究

程珊1，顾昌林1，冯吉军1，卢红亮2(1上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室，上海2∞093;2复旦大学微电子学院专用集成电路与系统国家重点实验室，上海201203)

摘要:近年来随着传感器在生物探测领域的应用，提高传感器芯片的灵敏度成为研究的热点。利用氮化硅微腔灵敏度高、成本低、易于集成的优点，设计制造了1550nm波长下二维、三维结构品质因子分别为1.6 X 104

和4x 10'的悬空桶合传感器芯片，并详细研究了集成氮化硅微腔光学传感芯片在折射率测量方面的应用。

关键词:集成光子芯片z微环谐振腔s氮化硅s光学传感器z悬空结构中图分类号:τ'B9;TP212. 14 文献标识码:A文章编号:1674 -5795(2018)01 -0∞9 -08

R国earchof Optical Sensor Cbip Based on Integrated S出ωnNitride Microca'世"ZHAI Shan', GU Changlin' ，四NGJijun', LU Hongliang 2 (1. Shanghai Key Lahoratocy of Modem C制.calSy阳回，School of Opti四1-因回国四1and Computer

Engin回d晤，

University of 5h皿19haifor Science and Technology, Shanghai 2'αlO93， China ; 2. State Key Lahorato可ofASIC皿dSys恒田，Sc1理由1of Microelectr田ücs，Fud皿University，5h皿ghai201203, China)

Abstract: 50田。因havebeen used in biological detection.τbe high seo曲由ofthe sensor chip has beco四anew resem由hotspotTwo -4皿田;0田1aod由ree-wmensionalωupli吨silicon旧时demicr田avi可senso四田eexperimentally demonstrated based 00由eh胁sensi剧ty，low c地8t，and ei町integrationof由es出connitride micro阻.Vlty.咀eapplication of由emtegra曲dsilicon nitride microcavi可opticalse皿orchips in refractive ind回me困山哩:mentis studied in由国l.A甲a1ityf，四torof mo自由皿1.6 x 1(1 at a waveleng由of1550 nm can be obtained in two -w-

me田10:田]structure an.d a甲alityfactor of 4 X 103

at a wavelen抖of1550皿C四beobtained in three -dimensional structure. It is de:皿nstrated

由atsuspe:旧ionstructure can greatly improve the perform皿，ceof the device

Key words: in恒gratedphotonic chip; mic:roring re嗡onator;silicon ni回血;optical sensor; s国ipensionstructure

。喜|言随着科技的发展，光传感芯片逐渐成为人们关注的热点，其原理是通过环境中物质浓度变化使芯片中光折射率发生改变，进而转化成可测量的光学传播常量[飞光学传感芯片体积小、灵敏度高，广泛应用于环境监测和生物医疗卫生等方面川，如无标记光子生物传感器、环境监测器等。现今高灵敏度的传感器大多基于马赫泽德、光子晶体[町、光学谐振腔结构。其

中马赫泽德结构传感器可以实现阵列化集成多目标检测，但探测极限低，且提高探测灵敏度需要增强光与待测物之间的相互作用，会导致器件尺寸增加，空间结构变大[4飞光子晶体结构传感器可以应用于探测微小的折射率变化[町，但在纳米量级的制作过程中，容易出现结构失配，给制造工艺增加了难度;光学谐振腔结构传感器具有可集成应用的高灵敏度特性。而且光在其谐振腔结构中往返传输，可减小器件结构尺

寸，降低成本。现今基于微腔的谐振器如微球、微环、亚波长光纤波导已经出现[7-8J。同时为了增加器件的灵敏度和实现批量生产，又提出了三维垂直搁合谐振器I'-1110微腔结构的光学传感器，满足人们对低成本、高灵敏度、便携的要求，越来越广泛的应用于光学集成领域[12J。光学微腔是指尺寸在5-500间1的光学振荡器[13]。其中回音壁光学徽腔(WhisperingGal1町Mode，简称WGM)是指光在内壁之间不断反射环绕传播形成驻波、共振模等间隔分布的光学微腔。这种光学微腔结构品质因子更高、模式体积更小，易应用于集成领域。常见的光学微腔谐振器制作材料有硅基材料、聚合物、III-V族材料等。在材料选择上，成本和性能是考虑的重点。其中，二氧化硅材料作为波导芯层制作的传感器芯片弯曲半径较大，多在毫米量级以上，制造成本高不宜应用。聚合物材料'性质不稳定，易发· 10 · 传感器及校准2018年第38卷第1期

生变质;111 -V族材料在波导宽度方向上有较高折射率差，同时也存在制作成本高的缺点。而氮化硅材料制作成本低，拥有较大的透明带宽和可忽略的非线性吸收效应，且与CMOS[14J制作工艺相兼容。相对于高折射率平台(如绝缘体上硅)[15]，氮化硅波导折射率适中，拥有更少的模式约束，不易发生变质，稳定性好，芯、包层折射率差大，制备简单。此外，光在氮化硅波导中传播和相合损耗也很小[M]，氮化硅材料在器件制造方面可以提供大的制造容差[町，被证明是一种很有前景的光波导传感材料[四]，逐渐被人们应用于光学集成器件的制造中。现有悬空结构大多是基于微盘[19-20J或波导[21J的。故设计二维T型悬空结构的氮化硅微环灵敏型光传感芯片和三维垂直搞合氮化硅微腔传感器芯片。相比其它芯片，氮化硅微腔类结构成本低、灵敏度高。经过一系列膜沉积、刻蚀工艺制备并进行测试，得到的芯片具有良好的品质因子、最小光谱偏移量，提高了芯片的检测极限[22-23J。实验中通过覆盖不同有机液体后，在芯片表面进行透射光谱分析，得到光传感芯片在液体浓度检测方面的数据，证明芯片可应用于探测有机液体浓度。基于氮化硅材料的特性，也可以将其应用在红外光领域。1 二维悬空氮化硅微环探测芯片1.1 二维T型悬空氮化硅微环传感器芯片设计原理悬空结构波导相比于普通的脊型波导可以提高芯片与被检测介质的接触面积[剑，容易获得更高的灵敏度，且节省了制造空间。对二维悬空结构的氮化硅微环谐振器进行性能测试。图1是二维悬空氮化硅微环谐振器的放大图像，它是由一个定向祸合器和一个20μm半径的跑道型微环结构组成，将图1中直线波导部分放大得到定向藕合器的横截面SEM图形如图2所示。其中，波导结构由一个Si02基座作为支撑底座，上面悬空氮化硅波导，形成空气包层的悬空结构。在制作过程中通过监测直波导腐蚀速率，得到目标氮化硅波导宽度1.3μm，刻蚀厚度310nm。氮化硅微环结构芯片的强偏振相关性，对光具有一定的选择作用，满足微环谐振方程的光可以发生搞合。得出TE偏振光搞合进微腔，而TM偏振光未发生搞合。衡量微腔传感器的主要参数有品质因子。和灵敏度S，在谐振波长λm下，传统模式仿真可以得出群折射率飞，然后计算出器件灵敏度S。其中，波导模式的有效指数L1neff受包层折射率L1ncl变化的影响，波导灵敏度Swg是一个元量纲的量，S单位为nmlRIU，R为微环半径。微环搞合谐振方程2τrR

L1n

eff = mλm

由式(匀，式(3)计算芯片灵敏度S为[25J

S=~wgλres -

ng

S__ =

L1n旺

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、、，/咽，i/E飞

(2) (3)

图1悬空跑道谐振器显微镜图像图2T型悬空直波导定向藕合器的SEM

横截面图

使用Rsoft软件计算，其中图3显示的是使用有限元方法计算尺寸相同的悬空结构和非悬空结构波导有效折射率neff和灵敏度Swg之间的关系，图4表示的是相应的模式场分布图。悬空结构呈现梯形形状，其中，二氧化硅底座顶部宽是200nmo波长在1550nm时，二氧化硅和氮化硅的折射率分别为1.45和2.01

，形成

高的折射率差，提高了集成密度。从图3中可以看出

悬空结构的灵敏度总是好于非悬空结构。同时悬空结构底座的宽度对器件的灵敏度具有一定的影响，当底座宽度减小时相应的灵敏度会提高，而过窄的底座又会引起结构机械稳定性不好。当底座上宽为零时，得到SWg为0.3272，相应的ncl为1.34(此结果模拟中没有

显示)。因此，制备芯片时需要权衡稳定性和灵敏度以选取底座宽度。一一悬空结构，n_""

1.64 ~一一非悬空结构;KE/匀。.35

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包层折射率ncl

图3悬空结构和非悬空结构时波导有效折射率和灵敏度相对于包层折射率变化的函数曲线图

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中科院携手浙大研制成功硅基导模量子集成光学芯片

中科院携手浙大研制成功硅基导模量子集成光学芯片

中科院携手浙大研制成功硅基导模量子集成光学芯片
作者：暂无
来源：《新材料产业》 2016年第8期
中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学教授戴道锌合作，首次研制成功硅基导膜量子集成芯片。

成果近日发表于《自然·通讯》。

集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点，在经典光学和量子信息领域受到关注。

以往集成量子光学芯片研究通常采用偏振自由度或路径自由度。

其中，偏振编码在信息容量和安全性方面存在明显不足；路径编码间距通常较大，制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。

任希锋研究组与合作者首次提出采用宽波导中的多个本征波导模式作为编码量子信息的新自由度，利用一条支持多个波导模式的多模波导有望实现量子信息高维编码。

他们利用新型硅基片上波导模式转化器和波导模式复用器，成功实现了偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%，充分展示了在集成量子光学芯片中同时操纵多个自由度的可能性，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定了重要基础。

（中国科学报）。

一种MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风与流程

一种MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风与流程

一种MEMS芯片及其制作方法引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）芯片是一种集成了微观机械部件、电学元件和电子集成线路的微型器件。

它在现代电子技术中具有广泛的应用，如加速计、压力传感器、麦克风等。

本文将介绍一种基于MEMS技术的芯片及其制作方法。

背景MEMS芯片的发展源于集成电路技术的快速进展。

通过微电子加工工艺，可以将微观机械结构与电路部件相结合，从而实现功能更加复杂的微型器件。

在MEMS芯片中，传感器是常见的元件之一，而MEMS麦克风则是其中的重要应用之一。

MEMS麦克风MEMS麦克风是一种利用MEMS技术制作的微型麦克风。

它具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，广泛应用于消费电子产品、通信设备等领域。

下面将介绍一种MEMS麦克风的制作方法。

制备MEMS麦克风的流程1.基底制备：首先，选择适合的基底材料，常见的有硅（Si）基底。

然后，使用光刻工艺在基底表面形成薄膜层，通常使用光刻胶和掩膜进行图案定义。

2.薄膜沉积：在基底表面沉积一层薄膜，常见的材料包括金属薄膜、多层金属膜等。

薄膜沉积可以使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法。

3.薄膜刻蚀：使用光刻工艺和刻蚀工艺将薄膜层进行图案定义和刻蚀，形成MEMS麦克风的微结构。

4.封闭结构：在微结构形成后，使用封闭工艺封闭MEMS麦克风的结构，保护内部部件免受环境影响。

5.封装：将封闭的MEMS麦克风器件进行封装，通常使用注塑成型或裸芯片直接封装等方式。

制备MEMS麦克风的优势制备MEMS麦克风采用了先进的微纳加工技术，具有以下优势：•小尺寸：MEMS麦克风的尺寸小，可以实现更小型化的产品设计。

•低功耗：由于MEMS麦克风的特殊结构，功耗较低，有利于延长电池寿命。

•高灵敏度：MEMS麦克风的微结构可以实现高灵敏度的声音接收，能够捕捉到更多细节。

•可靠性高：制备过程中采用精密的工艺控制和封装技术，提高了MEMS麦克风的可靠性。

集成微光学陀螺研究现状、发展趋势和挑战

集成微光学陀螺研究现状、发展趋势和挑战

集成微光学陀螺研究现状、发展趋势和挑战
邹康;曲天良;张熙
【期刊名称】《飞控与探测》
【年(卷),期】2024(7)2
【摘要】随着集成光子学和微纳工艺的飞速发展,微光学陀螺以其在芯片化、集成化上的优势广泛应用于下一代高精度小型化惯性导航系统中,在国防武器、微型飞行器以及无人机器控制等领域发挥重要作用。

充分调研了国内外微光学陀螺研制方案及研究现状,介绍了包括干涉式、谐振式、布里渊散射式光学陀螺以及微光机电陀螺等四类微光学陀螺的工作原理和性能指标;光学微腔作为微光学陀螺中角速度核心敏感器件,其性能直接决定着陀螺系统精度指标,因此充分论述了氮化硅波导以及回音壁模式等新体制微腔的特性及优点,并针对其传输损耗、品质因子和陀螺性能等指标进行了对比和分析;最后总结了微光学陀螺芯片化的发展趋势以及在分立元器件性能提升、系统耦合与封装上遇到的机遇和挑战。

【总页数】15页(P73-87)
【作者】邹康;曲天良;张熙
【作者单位】华中光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.单Y型集成光学芯片的性能和集成光学陀螺关键技术研究
2.芯片级多轴集成微陀螺方案对比与发展趋势分析
3.应用于集成光学陀螺敏感单元的硅基微环谐振腔
4.谐振式集成光学陀螺的研究与进展
5.集成光学陀螺及相关技术研究的现状与展望
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硅基光子晶体微腔的设计及制备

硅基光子晶体微腔的设计及制备

硅基光子晶体微腔的设计及制备硅基光子晶体微腔是一种新兴的微纳光学器件，也是微纳科技和光电技术领域中的热门研究方向之一。

它的设计和制备是一项复杂而又有挑战性的工作。

本文将探讨硅基光子晶体微腔的设计及制备的相关内容。

一、硅基光子晶体微腔的概述硅基光子晶体微腔是一种基于硅基材料制备的光学器件，其主要功能是将光波约束在微米级腔体内，使其能够被光子晶体物质所反射增强，从而产生强烈的光-物质相互作用。

硅基光子晶体微腔的制备技术主要包括两种方法：一种是通过化学气相沉积技术(CVD)在硅基材料表面生长光子晶体结构；另一种则是通过激光刻蚀技术将结构精细地刻在硅基材料表面上。

二、硅基光子晶体微腔的设计与制备方法硅基光子晶体微腔的设计需要考虑许多因素，其中包括器件的尺寸、形状、材料等。

在进行设计时，需要运用几何和光学模型来进行计算和模拟，以达到预期的光学性能。

另外，硅基光子晶体微腔的制备方法也非常重要，常用的制备方法包括电子束曝光、激光描绘和等离子体蚀刻等。

其中，激光描绘技术是一种比较常见的方法，它可以用来制备不同形状和尺寸的硅基光子晶体微腔。

三、硅基光子晶体微腔的应用领域硅基光子晶体微腔具有广阔的应用前景，可以在光通信、光学传感、计算机芯片等领域中发挥重要作用。

其中，硅基光子晶体微腔作为微纳光学器件的一种，有望在量子计算和量子通信等方面展现强大的应用潜力。

此外，硅基光子晶体微腔还可以用于光学传感领域，实现高精度分子诊断和生物医学成像等应用。

四、硅基光子晶体微腔的未来发展方向硅基光子晶体微腔在过去十年中得到了快速发展，随着科技的不断进步和需求的增加，硅基光子晶体微腔未来的发展方向将更加广阔和多样化。

一方面，硅基光子晶体微腔的研究将更加注重基础研究，以探索各种新现象和新机制；另一方面，硅基光子晶体微腔也将更加注重应用研究，以满足不同领域的需求。

总之，硅基光子晶体微腔的设计与制备是光电技术领域中的重要研究方向之一。

硅基光子晶体微腔的应用前景非常广泛，未来的发展方向也十分广阔。