王藝蒙，舒浩文，韓秀友

（1.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子學(xué)系 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

1 引言

溫度傳感器在醫(yī)療衛(wèi)生、疫情防控、工業(yè)生產(chǎn)以及物資運(yùn)輸?shù)确矫婢哂兄匾獞?yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的溫度傳感器，如電阻溫度傳感器是利用敏感元件（如：熱敏電阻、熱電偶等）感應(yīng)溫度的變化使阻值發(fā)生變化，從而使輸出電路的電壓發(fā)生變化，有測(cè)溫時(shí)間較長(zhǎng)、受環(huán)境影響較大、測(cè)量誤差較高、體積較大、對(duì)機(jī)械沖擊較為敏感等缺點(diǎn)[1]。由于傳統(tǒng)溫度傳感器存在諸多限制，集成光學(xué)溫度傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其具有電磁免疫、精度高、體積小、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)勢(shì)，近些年引起了人們的極大興趣[2-3]。其中，硅基集成光學(xué)溫度傳感器具有CMOS兼容、成本低、易于大規(guī)模集成的特點(diǎn)[4-6]，被認(rèn)為是下一代精密溫度測(cè)量的主流方案之一[1,6]。目前，硅基集成光學(xué)溫度傳感器大部分是基于諧振腔結(jié)構(gòu)[7-8]，即利用溫度對(duì)諧振狀態(tài)的影響實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量[9-16]。Guan等[9]利用亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)諧振波長(zhǎng)隨溫度變化檢測(cè)溫度。Klimov等[11]采用布拉格光柵以及內(nèi)置FP腔的光子晶體諧振腔位置隨溫度的變化檢測(cè)溫度，測(cè)量精度為175 mK。以上這些方法均為頻譜檢測(cè)，即通過(guò)對(duì)不同溫度下諧振譜對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)位置進(jìn)行標(biāo)定確定溫度變化值，要求光源為寬譜光源或能夠大范圍調(diào)諧的光源，對(duì)寬譜光源來(lái)說(shuō)，需要接收端配備昂貴的光譜儀設(shè)備，而且其測(cè)量精度也受限于光譜測(cè)量裝置的分辨率；對(duì)可調(diào)諧光源來(lái)說(shuō)，其光源端的系統(tǒng)復(fù)雜度高于單頻光源；兩者都增加了整個(gè)傳感系統(tǒng)的價(jià)格、功耗以及系統(tǒng)復(fù)雜度。同時(shí)，這種辦法對(duì)溫度的測(cè)量往往需要線下DSP處理來(lái)標(biāo)定諧振峰隨溫度漂移量，響應(yīng)速度一般在0.1 s數(shù)量級(jí)[1]。

本文提出了一種基于單頻激光測(cè)量的硅基快速溫度傳感系統(tǒng)，通過(guò)在不同溫度下，級(jí)聯(lián)微環(huán)陣列對(duì)單頻激光綜合響應(yīng)的不同，構(gòu)建光電二極管（PD）輸出響應(yīng)與溫度變化的單調(diào)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度溫度測(cè)量。通過(guò)對(duì)微環(huán)陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證測(cè)量精度優(yōu)于60 mK的同時(shí)，增加級(jí)聯(lián)微環(huán)數(shù)量或調(diào)整微環(huán)諧振譜譜寬，可以進(jìn)行測(cè)量區(qū)間的任意設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)范圍覆蓋?20～105 ℃，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于20 μs的精準(zhǔn)快速測(cè)量的溫度傳感。

2 工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硅基微環(huán)諧振腔具有體積小、諧振品質(zhì)因數(shù)高、可集成、諧振波長(zhǎng)對(duì)外界溫度十分敏感的特點(diǎn)，非常利于高精度的溫度傳感。本文基于硅基微環(huán)諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度溫度測(cè)量。硅基微環(huán)諧振腔的溫度依賴于溫度引起的折射率及其物理尺寸的變化。

根據(jù)硅基微環(huán)諧振腔的諧振條件得到溫度對(duì)波導(dǎo)微環(huán)諧振波長(zhǎng)的影響，如下

式中，neff為微環(huán)波導(dǎo)的有效折射率，λ為諧振波長(zhǎng)。ng=neff?λ·?neff/?λ為群折射率。當(dāng)溫度變化時(shí)，微環(huán)有效折射率neff也會(huì)相應(yīng)改變，導(dǎo)致諧振波長(zhǎng)λ 發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光譜漂移。

本文采用頂硅厚度為220 nm的標(biāo)準(zhǔn)SOI基體，硅波導(dǎo)尺寸為220 nm×500 nm，微環(huán)半徑基準(zhǔn)為50 μm，硅波導(dǎo)表面由2 μm的氧化硅包層覆蓋，單個(gè)微環(huán)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 硅基集成微環(huán)諧振腔示意圖Fig.1 Schematic diagram of a micro-ring resonator

根據(jù)式（1）可以計(jì)算單個(gè)微環(huán)在不同溫度下的波長(zhǎng)響應(yīng)。如圖2（a）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，當(dāng)△T從0 ℃變化到7 ℃時(shí)，諧振中心波長(zhǎng)從1550.0 nm轉(zhuǎn)移到1550.56 nm。圖2（b）左軸是輸入波長(zhǎng)固定時(shí)不同溫度下輸出光強(qiáng)的變化，可以看出溫度高于18.75 ℃時(shí)光強(qiáng)一直維持在0.1以下，且探測(cè)光光強(qiáng)變化趨于平緩，右軸為單環(huán)輸出光強(qiáng)對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)隨溫度的變化情況（圖2（a）的斜率）。對(duì)輸出光強(qiáng)求導(dǎo)可得，諧振峰越遠(yuǎn)離輸入波長(zhǎng)，輸出光功率對(duì)溫度變化越不敏感，因而在入射光波長(zhǎng)不變的情況下，單微環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度探測(cè)范圍受到諧振峰寬度的影響。為了提升單頻光下的溫度傳感范圍，本文提出了一種多微環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)（如圖3）。微環(huán)陣列通過(guò)一根總線波導(dǎo)相連，其中每個(gè)微環(huán)的諧振中心波長(zhǎng)是遞增的，半徑從50 μm變化到50.18 μm，相鄰微環(huán)之間的半徑差是20 nm。整體的陣列尺寸是300 μm×550 μm。此外，本文提出的20 nm的半徑遞減尺度在實(shí)際加工中對(duì)工藝精度和復(fù)雜度提出了較高要求，因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合工藝條件對(duì)微環(huán)尺寸的變化進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖2 （a）單個(gè)微環(huán)在不同溫度下的波長(zhǎng)響應(yīng)結(jié)果；（b）左軸為輸入波長(zhǎng)固定時(shí)在不同溫度下輸出光強(qiáng)的變化；右軸為輸入波長(zhǎng)固定時(shí)輸出光強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)結(jié)果隨溫度的變化情況Fig.2 (a) Wavelength response results of a single microring at different temperatures; (b) normalized transmission is the change in output light intensity at different temperatures when the input wavelength is fixed; is the derivation for output light intensity versus wavelength varying with temperature when the input wavelength is fixed

圖3 (a) 微環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖； (b) 多個(gè)微環(huán)光譜響應(yīng)結(jié)果Fig.3 (a) Micro-ring cascade structure diagram; (b) spectral response results of micro-ring arrays

為了驗(yàn)證多微環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)功能，采用10個(gè)等間距上下分布的微環(huán)級(jí)聯(lián)方案。圖3(b)計(jì)算了微環(huán)陣列對(duì)相同輸入光波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)結(jié)果[13]。通過(guò)設(shè)置λ 、r1、r2等參數(shù)可以確定微環(huán)諧振譜輸出形狀。其中，r1、r2分別為輸入、輸出波導(dǎo)與環(huán)的耦合系數(shù)。

為了研究微環(huán)陣列相比于單個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度漂移覆蓋范圍，本文通過(guò)選擇合理參數(shù)，使得微環(huán)陣列輸出響應(yīng)T的諧振中心頻率以100 pm遞增，共取10個(gè)微環(huán)，在該情況下，微環(huán)陣列的本征諧振譜響應(yīng)范圍（～2 nm@T>0.1）相比于單個(gè)微環(huán)形式的光譜響應(yīng)范圍（～1.25 nm@T>0.1）得到有效提升，因而能夠有效增加溫度響應(yīng)范圍。

3 性能分析

基于上述微環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種硅基集成溫度傳感系統(tǒng)，如圖4所示。溫度測(cè)量系統(tǒng)由光源、微環(huán)陣列、探測(cè)器陣列、信號(hào)后處理單元和輸出數(shù)據(jù)單元構(gòu)成。當(dāng)固定波長(zhǎng)的光源進(jìn)入微環(huán)陣列芯片，微環(huán)陣列芯片與被測(cè)物接觸會(huì)產(chǎn)生溫度變化，其諧振狀態(tài)也將發(fā)生相應(yīng)改變，從而使芯片輸出光強(qiáng)發(fā)生改變，探測(cè)器陣列將輸出光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并輸入信號(hào)后處理單元進(jìn)行信號(hào)處理。后處理單元建立輸入信號(hào)與實(shí)際溫度的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系并計(jì)算實(shí)際溫度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度輸出，從而實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。以下將從光譜傳輸性能、信號(hào)處理方法以及溫度響應(yīng)能力3個(gè)方面描述該系統(tǒng)功能。

圖4 溫度傳感系統(tǒng)Fig.4 Temperature sensing system

3.1 級(jí)聯(lián)微環(huán)傳輸性能

對(duì)于單頻入射激光來(lái)說(shuō)，由于不同微環(huán)的諧振位置不同，因而其波長(zhǎng)響應(yīng)也隨諧振腔尺寸變化，且由于后續(xù)微環(huán)受到前置微環(huán)分光影響，微環(huán)陣列光功率輸出隨系統(tǒng)順序呈逐漸下降趨勢(shì)。第i個(gè)環(huán)的輸出光強(qiáng)公式可表達(dá)為[14]：

式中，TPi為through端傳輸譜，T為drop端傳輸譜，圖5為考慮微環(huán)陣列級(jí)聯(lián)因素時(shí)，各微環(huán)端口實(shí)際相對(duì)輸出光強(qiáng)相對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系，可以看出當(dāng)微環(huán)諧振峰越遠(yuǎn)離諧振波長(zhǎng)時(shí)，相對(duì)輸出光強(qiáng)越小。

圖5 微環(huán)陣列實(shí)際輸出光強(qiáng)與波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.5 Actual output light intensity of micro-ring array varying with wavelength

3.2 信號(hào)處理方法

為實(shí)現(xiàn)溫度傳感，需要建立輸出信號(hào)強(qiáng)度與溫度變化的一一映射關(guān)系。為建立光強(qiáng)和溫度變化的單調(diào)關(guān)系，需要對(duì)微環(huán)陣列的各輸出進(jìn)行信號(hào)處理。為了使加權(quán)求和之后的相對(duì)輸出電信號(hào)強(qiáng)度曲線平滑且單調(diào)，后處理單元對(duì)各微環(huán)輸出信號(hào)進(jìn)行加權(quán)相加，具體表示為加權(quán)系數(shù)j為微環(huán)編號(hào)，n為微環(huán)數(shù)量，Ij為對(duì)應(yīng)第j個(gè)微環(huán)探測(cè)器轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)強(qiáng)度。

其結(jié)果典型值由圖6(a)表示，可見(jiàn)，在溫度測(cè)量區(qū)間5～18 ℃內(nèi)，輸出信號(hào)強(qiáng)度與溫度呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系，可根據(jù)輸出信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行溫度檢測(cè)。根據(jù)實(shí)際用途的不同，在保證低功耗低成本的同時(shí)，該系統(tǒng)可以通過(guò)分別對(duì)級(jí)聯(lián)微環(huán)數(shù)量、中心諧振波長(zhǎng)以及諧振峰半高寬的設(shè)計(jì)改變溫度測(cè)量范圍以及溫度測(cè)量分辨率，擁有比較大的設(shè)計(jì)自由度以及靈活的測(cè)量范圍。圖6(b)(彩圖見(jiàn)期刊電子版)顯示增加微環(huán)數(shù)量可以擴(kuò)展測(cè)量范圍，溫度范圍可從10 ℃（@n=10）增加至80 ℃（@n=61），溫度測(cè)量范圍隨微環(huán)數(shù)量的增加而擴(kuò)大。圖6(c)顯示通過(guò)改變損耗系數(shù)，改變微環(huán)陣列半徑可以對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，縮小微環(huán)半徑可使溫度測(cè)量范圍從12 ℃（@R=50 μm）提高至26 ℃（@R=6.25 μm）。通過(guò)靈活配置級(jí)聯(lián)陣列參數(shù)，增加微環(huán)陣列個(gè)數(shù)至81個(gè)，縮小微環(huán)陣列半徑至6.25 μm，可實(shí)現(xiàn)最大溫度測(cè)量范圍，其范圍覆蓋?20 ℃～105 ℃（如圖6（d））。

圖6 （a）輸出信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和之后的相對(duì)輸出電信號(hào)強(qiáng)度與實(shí)際溫度的關(guān)系；（b）不同微環(huán)數(shù)量的微環(huán)陣列輸出信號(hào)加權(quán)求和后相對(duì)輸出電信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)實(shí)際溫度的關(guān)系；（c）微環(huán)陣列溫度測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)半徑的關(guān)系；(d)靈活配置級(jí)聯(lián)陣列參數(shù)得到最大溫度測(cè)量范圍時(shí)輸出信號(hào)與實(shí)際溫度的關(guān)系Fig.6 (a) Relationship between the relative output signal intensity and the actual temperature after the weighted summation of the output signal; (b) relationship between the relative output signal intensity and the actual temperature after the weighted summation of the output signals of the micro-ring array with different numbers of micro-rings;(c) relationship between the micro-ring array temperature measurement range and the corresponding radius; (d) relationship between the output signal and the actual temperature when the cascade array parameters are configured flexibly to obtain the maximum temperature measurement range

綜上所述，微環(huán)陣列較單環(huán)諧振溫度變化范圍大，且可以根據(jù)實(shí)際需要增加微環(huán)數(shù)量以擴(kuò)大溫度變化范圍，較單環(huán)更靈活。此外，相比于單個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)，該級(jí)聯(lián)微環(huán)傳感系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度隨溫度變化更趨于線性，使得其在測(cè)量范圍內(nèi)傳感精度一致性較高。

3.3 溫度響應(yīng)能力

下面將測(cè)試溫度傳感器的溫度響應(yīng)能力。考慮到檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度主要受輸入光源光強(qiáng)抖動(dòng)影響，圖7為假定光強(qiáng)抖動(dòng)值為1%的情況下輸出信號(hào)情況，圖7(a)中展示的臺(tái)階為對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行1%光強(qiáng)采樣的情況，可以發(fā)現(xiàn)采樣后信號(hào)呈階梯狀，階梯寬度表示一定范圍內(nèi)的溫度分辨率，寬度越長(zhǎng)則分辨率越低，由圖7(b)分辨率精度的分布（如溫度精度為30 mK時(shí)的數(shù)量占總數(shù)的28.91%）可知，大部分溫度（>90%）情況下，系統(tǒng)分辨率優(yōu)于40 mK，最低測(cè)量精度為60 mK。相比布拉格光柵溫度傳感器（@500 mK）和內(nèi)置FP腔的光子晶體諧振腔（@175 mK）測(cè)量精度有所提升[8]。

圖7 （a）對(duì)光源1%光強(qiáng)抖動(dòng)采樣的局部結(jié)果；（b）測(cè)量精度范圍分析Fig.7 (a) Partial result of sampling of 1% light intensity jitter of the light source; (b) analysis of measurement accuracy range

圖8顯示的是無(wú)襯底結(jié)構(gòu)的芯片響應(yīng)時(shí)間與溫度變化的關(guān)系，芯片為標(biāo)準(zhǔn)的SOI結(jié)構(gòu)，硅波導(dǎo)表面由2 μm的氧化硅包層覆蓋。當(dāng)芯片正面與被測(cè)物接觸，在短時(shí)間(<1 ms)內(nèi)將被測(cè)物理想化為恒溫?zé)嵩?，假定芯片的其他接觸面采用絕熱材料包裹，由圖8可知芯片溫度從?20 ℃變化至45 ℃的響應(yīng)時(shí)間小于20 μs（～50 kHz），（當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃，溫度差小于1%時(shí)響應(yīng)時(shí)間為8.03 μs）。通過(guò)進(jìn)一步降低氧化硅包層厚度或采用更高熱導(dǎo)系數(shù)的包層材料[15]，可以進(jìn)一步提升響應(yīng)時(shí)間至亞微秒量級(jí)。

圖8 溫度響應(yīng)速度Fig.8 Temperature response speed

此外，SOI結(jié)構(gòu)硅襯底厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果具有較大的影響，由于硅的導(dǎo)熱性良好，較厚的硅襯底會(huì)導(dǎo)致傳感區(qū)域溫度穩(wěn)態(tài)時(shí)間增加，從而降低系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度和精度，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，因考慮對(duì)SOI基底做減薄或去除后道工藝，以保證器件性能。

4 結(jié)論

本文提出了一種簡(jiǎn)易靈活的單頻激光響應(yīng)集成光學(xué)溫度測(cè)量方案，通過(guò)采用硅基集成微環(huán)級(jí)聯(lián)陣列芯片方案，降低了傳感系統(tǒng)對(duì)光源的要求，有效降低了系統(tǒng)成本及功耗。通過(guò)靈活配置級(jí)聯(lián)陣列參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)范圍覆蓋?20～105 ℃，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于20 μs，測(cè)量精度優(yōu)于60 mK的精準(zhǔn)快速溫度測(cè)量。