Page 109 - 《应用声学）》2023年第5期

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 清洗；(2) 通过等离子体增强化学气相沉积 (Plasma
2
2
式|t | + |k | = 1 [18] 。 enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 技
环形谐振腔的传递函数T(φ)为 术在硅晶圆表面形成非掺杂的二氧化硅薄膜作为
2 2 2 波导的下包层；(3) 通过 PECVD 在二氧化硅薄膜
E 4 t + a − 2at cos φ
T (φ) = = , (3)
2 2 上制备较高折射率的掺锗的二氧化硅作为芯层；
E 1 1 + a t − 2at cos φ
式 (3) 中，a 为光在环形谐振腔中传输一周的振幅 (4) 在二氧化硅薄膜表面形成掩膜层，通过曝光、显
传输因子；φ 是光在谐振腔中传输一周产生的相移： 影、烘焙的方式，使掩膜上的图形转移到光刻胶表
φ = βL，其中β 是传播常数。 面；(5) 采用电感耦合等离子体(Inductively coupled
环形谐振腔的Q为 plasma, ICP) 刻蚀技术刻蚀芯层；(6) 刻蚀完成后，
f nπL 再次通过PECVD技术生长上包层；(7) 将带有微槽
Q = = , (4)
f FWHM 2at
λ arccos 图案的套刻板在芯层表面形成掩膜层，利用光刻工
2 2
1 + a t
式 (4) 中，f 为输入的光的频率，f FWHM 为谐振 艺将图形转移到光刻胶上，通过 ICP 刻蚀技术刻蚀
曲 线 的 半 高 全 宽 (Full width at half maximum, 二氧化硅，完成微槽结构的构建；(8) 通过玻璃套管
FWHM)。 对光纤和光波导微槽式谐振腔进行耦合。制备出来
本文设计的微槽结构位于谐振腔耦合区上方， 的器件实物图如图 2(a) 所示，环形波导腔的耦合间
当超声波作用于谐振腔微槽结构时，声压与倏逝波 距为4.2 µm，微槽的大小为40 µm×40 µm。图2(b)
发生相互作用，引起有效折射率改变，导致传感器共 为谐振腔芯层截面的扫描电子显微镜 (Scanning
振波长发生漂移，波长漂移量可以表示为 [19] electron microscope, SEM)图，从图中可以看出，加
∆λ ∆n eff 工得到的波导芯层截面为5.90 µm×5.99 µm。
= , (5)
λ n eff 为检验器件的Q值，使用扫描电压为1 V、频率
式 (5) 中，∆n eff /n eff 是声压 引 起 的折 射 率 变化， 为 10 Hz 的三角波对激光器进行扫描，得到传感器
∆λ/λ是由于声压引起的波长漂移。
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，得到时间域上FWHM为 0.00817 s，对
2 传感器的制备
应的扫描电压差为0.167 V，激光器频率调制系数为
光波导微槽式谐振腔的制备工艺如下：(1) 准 84 MHz/V，最终得到谱线的FWHM为14.03 MHz，
备15.24 cm 的硅晶圆，在特定的溶液中进行超声波 器件的Q值为1.38 × 10 。
7

ॲയӝ
ᏹՌӝ

mN ON
mN

10 mm

(a) ៈ૝ᑿࠄྭڏ (b) ฉ࠮ᔇࡏ੕᭧ᄊSEMڏ
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-sectional
view of the coupling zone