en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-08-87-95
УДК: 535.3
Высокочувствительный встроенный волноводный датчик температуры на основе чувствительного покрытия
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Hu Cong, Shi Yunying, Zhou Tian, Wan Chunting, Xu Chuanpei, Zhu Aijun. Design of high sensitivity on-chip temperature waveguide sensor based on sensitive cladding (Высокочувствительный встроенный волноводный датчик температуры на основе чувствительного покрытия) [на англ. языке] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 87–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-87-95
Hu Cong, Shi Yunying, Zhou Tian, Wan Chunting, Xu Chuanpei, Zhu Aijun. Design of high sensitivity on-chip temperature waveguide sensor based on sensitive cladding [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 8. P. 87–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-87-95
Предмет исследования. Особенности проектирования высокочувствительного встроенного волноводного датчика температуры. Цель работы. Разработка высокочувствительного волноводного датчика для контроля рабочей температуры интегральных микросхем. Метод. Повышение чувствительности к изменениям температуры типичного датчика на основе сквозного микрокольцевого резонатора посредством нанесения на волновод специально подобранного термочувствительного материала. Выбор покрытия на основе этанола по критерию увеличения чувствительности. Основные результаты. Подтверждено увеличение чувствительности датчика до 105 pm/° при радиусе датчика 3,34 мкм, и толщине термочувствительного покрытия 0,12 мкм с достаточной для практического использования линейностью статической характеристики. Практическая значимость. Доказана возможность проектирования датчика с увеличенной чувствительностью и уменьшенными габаритами, предложенное проектное решение определяет новое направление в исследовании и проектировании встроенных волноводных датчиков изменения температуры.
микрокольцевой резонатор, датчик температуры, термочувствительное покрытие, микро-наноустройства, система для чипов
Благодарность:Mы благодарны рецензентам за их ценное предложение.
Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (61861012,2161008), Гуансийской ключевой лабораторией технологий и приборов автоматического обнаружения (YQ21105), Научным фондом Гуйлиньского университета аэрокосмических технологий (XJ20KT09) и Проектом по повышению базовых способностей преподавателей университетов Гуанси молодого и среднего возраста (2021KY0800).
Коды OCIS: 120.678.
Список источников:1. Zhang L., Jie L, Zhang M., Wang Y., Xie Y., Shi Y., Dai D. Ultrahigh-Q silicon racetrack resonators // Photonics research (Washington, DC). 2020. V. 8. № 5. P. 684. https://doi.org/CNKI:SUN:GZXJ.0.2020-05-008
2. Bogaerts W., De Heyn P., Van Vaerenbergh T., De Vos K., Kumar Selvaraja S., Claes T., Dumon P., Bienstman P., Van Thourhout D., Baets R. Silicon microring resonators // Laser & Photonics Reviews. 2012. V. 6. № 1. P. 47–73. https://doi.org/ 10.1002/lpor.201100017
3. Zhang Y., Zou J., He J. Temperature sensor with enhanced sensitivity based on silicon Mach–Zehnder interferometer with waveguide group index engineering // Optics Express. 2018. V. 26. № 20. P. 26057. https://doi.org/ 10.1364/OE.26.026057
4. Cocorullo G., Corte F G D., Rendina I., Sarro PM. Thermo-optic effect exploitation in silicon microstructures // Sensors and Actuators A-Physical. 1998. V. 19. P. 19–26. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(98)00168-X
5. Liang Z., Xu C., Zhu A., Hu C., Du S., Zhao C. Directional coupling surface plasmon polariton electro-optic modulator for optical ring networks-on-chip // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87. № 9. P. 542–553. https://doi.org/ 10.1364/JOT.87.000542
6. Zegadi R., Ziet L., Zegadi A. Design of high sensitive temperature sensor based on two-dimensional photonic crystal // Silicon. 2020. V. 12. № 9. P. 2133–2139. https://doi.org/10.1007/s12633-019-00303-5
7. Kotlyar V.V., Shuyupova Ya.O. Calculating the modes of a photonic-crystal lightguide by a difference method // Journal of Optical Technology. 2007. V. 74. P. 600–608. https://doi.org/10.1364/JOT.74.000600
8. Xie Y., Zhang M., Dai D. Design rule of Mach–Zehnder interferometer sensors for ultra-high sensitivity // Sensors. 2020. V. 20. № 9. P. 2640. https://doi.org/10.3390/s20092640
9. Zhao C.Y., Zhang L., Zhang C.M. Compact SOI optimized slot microring coupled phase-shifted Bragg grating resonator for sensing // Optics Communications. 2018. V. 414. P. 212–216. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2018.01.010
10. Hu C., Shi Y., Zhou T., Xu C., Zhu A. A small size on-chip temperature sensor based on a microring resonator // Silicon. 2021. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/S12633-021-01247-5
11. Tian C., Zhang H., Li W., Huang X., Liu J., Huang A., Xiao Z. Temperature sensor of high-sensitivity based on nested ring resonator by Vernier effect // Optik. 2020. V. 204. P. 164118. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.164118
12. Minzioni P., Lacava C., Tanabe T., Dong J., Hu X., Csaba G., Porod W., Singh G., Willner A E., Almai-man A., Torres-Company V., Schroder J., Peacock A C., Strain M J., Parmigiani F., Contestabile G., Marpaung D., Liu Z., Bowers J E., Chang L., Fabbri S., Vazquez M R., Bharadwaj V., Eaton S M., Lodahl P., Zhang X., Eggleton B J., Munro W J., Nemoto K., Morin O., Laurat J., Nunn J. Roadmap on all-optical proces-sing // Journal of Optics. 2019. V. 21. № 6. P. 1. https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab0e66
13. Cheng Q., Dai L.Y., Abrams N.C., Hung Y., Morrissey P.E., Glick M., O Brien P., Bergman K. Ultralow-crosstalk, strictly non-blocking microring-based optical switch // Photonics research (Washington, DC). 2019. V. 7. № 2. P. 155. https://doi.org/CNKI:SUN:GZXJ.0.2019-02-008
14. Zhu H., He J., Shao L., Li M. Ultra-high sensitivity optical sensors based on cascaded two Fabry–Perot interferometers // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 277. P. 152–156. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.08.091
15. Wu N., Xia L. High-Q and high-sensitivity multihole slot microring resonator and its sensing performance // Physica scripta. 2019. V. 94. № 11. P. 115512. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ab3266
16. Wang C., Wang C., Yu J., Kuo I., Tseng C., Jau H., Chen Y., Lin T. Highly sensitive optical temperature sensor based on a SiN micro-ring resonator with liquid crystal cladding // Optics Express. 2016. V. 24. № 2. P. 1002. https://doi.org/10.1364/OE.24.001002
17. Fu X., Xie H., Yang C., Zhang S., Fu G., Bi W. Research on the temperature sensing characteristics of triple cladding quartz specialty fiber based on cladding mode resonance // Acta Physica Sinica. 2016. V. 65. № 02. P. 171–179. https://doi.org/10.7498/aps.65.024211
18. Li X., Wang L., Guo S., Li Z., Yang M. Doubled temperature measurement range for a single micro-ring sensor // Acta Physica Sinica. 2014. V. 63. № 15. P. 197–202. https://doi.org/10.7498/aps.63.154209
19. Kim G.D., Lee H.S., Park C.H., Lee S.S., Lim B.T., Bae H.K., Lee W.G. Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process // Opt Express. 2010. V. 18. № 21. P. 22215–22221. https://doi.org/10.1364/OE.18.022215
20. Qi Y., Zhang T., Guo J., Bao-He Z., Xiang-Xian W. High performance temperature and refractive index dual-purpose sensor based on the ethanol-sealed metaldielectric-metal waveguide // Acta Physica Sinica. 2020. V. 69. № 16. P. 233–242. https://doi.org/10.7498/aps.69.20200405