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      一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號:6006988閱讀:226來源:國知局
      專利名稱:一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng)的制作方法
      一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及光傳感領(lǐng)域,具體地涉及一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng)。
      背景技術(shù)
      目前,光傳感技術(shù)作為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支,在光通信、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測和國家安全等眾多方面都有著十分重要的應(yīng)用。光傳感技術(shù)可以解決電傳感技術(shù)存在的靈敏度低、易受干擾、感應(yīng)時(shí)間較長、檢測某些化學(xué)氣體不安全等方面的問題;相比之下,光傳感器具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于集成、可在線檢測等眾多優(yōu)點(diǎn)。因此在傳感領(lǐng)域中,光傳感占有越來越重要的地位。
      近年來,作為傳感器技術(shù)中十分重要的一員,光傳感技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展,目前各種光傳感器已廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。所謂光傳感器就是以光為檢測對象,將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件,通常是指紫外到紅外波長范圍的傳感器,它是利用材料的光電效應(yīng)制成的探測器,故也稱為光電轉(zhuǎn)換器。由于光傳感技術(shù)具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于集成、可在線檢測等眾多優(yōu)點(diǎn),目前光傳感器件在光通信、環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展?,F(xiàn)有技術(shù)基于光波導(dǎo)的光傳感器有環(huán)形波導(dǎo)式光傳感器等多種類型。環(huán)型波導(dǎo)式光傳感器主要由一個(gè)環(huán)型波導(dǎo)(如微環(huán)諧振腔)和一個(gè)直波導(dǎo)構(gòu)成,環(huán)型波導(dǎo)置于敏感原件感應(yīng)待測量最有效的位置,當(dāng)待測量作用于敏感原件時(shí),敏感元件的相應(yīng)變化會導(dǎo)致環(huán)型波導(dǎo)中光波的某些性質(zhì)(如相位和強(qiáng)度)發(fā)生改變,最后通過檢測直波導(dǎo)中輸出光的變化便可知道待測量的變化情況。如附圖I所示為簡單的單波導(dǎo)耦合光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu),其通過直接耦合器把光耦合出來,再反饋到一個(gè)輸出端。A0、Ai分別是輸入端和輸出端場強(qiáng),Ar、Al分別為耦合進(jìn)和耦合出環(huán)型諧振腔的能量,通過比較這幾個(gè)參數(shù)的基本關(guān)系,便可以得出光學(xué)諧振腔的基本特性。現(xiàn)有技術(shù)基于光波導(dǎo)的傳感器已經(jīng)發(fā)展了很長時(shí)間,除了環(huán)形波導(dǎo)式光傳感器,目前應(yīng)用中的該類傳感器還有很多。但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等方面一直沒有重大突破,該類傳感器一直受到光學(xué)器件尺寸和材料的限制,這類光傳感系統(tǒng)的制備往往需要復(fù)雜的加工工藝流程(如光刻、電子束刻蝕或者納米壓印技術(shù))且難以同時(shí)集成復(fù)雜的光電性能在單一芯片上。

      發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在單一芯片上同時(shí)集成了光電性能的基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是,一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),包括集成設(shè)置在CMOS芯片上的光傳感器和與所述光傳感器連接的運(yùn)算電路,所述光傳感器由傳感單元陣列而成,所述傳感單元包括平面光波導(dǎo)、耦合光柵和PN結(jié),所述耦合光柵將所述平面光波導(dǎo)輸出的光信號耦合至所述PN結(jié),所述PN結(jié)與所述運(yùn)算電路連接。作為實(shí)施例之一,所述平面光波導(dǎo)為微環(huán)諧振腔。 優(yōu)選地,所述PN結(jié)的最上層設(shè)置有一層絕緣層。優(yōu)選地,所述絕緣層為二氧化硅材料。本發(fā)明的有益效果是通過COMS工藝將平面光波導(dǎo)與光傳感器集成在同一芯片上,具有結(jié)構(gòu)簡單,易于加工和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

      圖1,單波導(dǎo)耦合光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
      圖2,本發(fā)明傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3,本發(fā)明PN結(jié)與耦合光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,100平面光波導(dǎo)、101單模光纖、200耦合光柵、300PN結(jié)、400絕緣層。
      具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),包括集成設(shè)置在CMOS芯片上的光傳感器和與光傳感器連接的運(yùn)算電路,光傳感器由傳感單元陣列而成,所述傳感單元包括平面光波導(dǎo)100、耦合光柵200和PN結(jié)300,所述耦合光柵200將平面光波導(dǎo)輸出的光信號耦合至PN結(jié)300,PN結(jié)300與運(yùn)算電路連接,運(yùn)算電路對PN結(jié)300輸出的信號進(jìn)行計(jì)算得到待測量結(jié)果。下面以微環(huán)諧振腔作為平面光波導(dǎo)為例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明,參看附圖2 :輸入的光信號通過單模光纖101耦合到微環(huán)諧振腔中;然后,在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域,Ai的一部分Ar被耦合進(jìn)諧振腔中,諧振腔選擇一定頻率的光波進(jìn)行反饋震蕩形成Al,再通過部分的反射端耦合出信號Ao,經(jīng)過微環(huán)諧振腔的調(diào)制,Ao的某些性質(zhì)(如相位)相比Ai發(fā)生了變化;最后,輸出光信號進(jìn)入I禹合光柵200中,I禹合光柵200改變光信號的傳輸方向并I禹合到耦合光柵200下層的PN結(jié)300中,PN結(jié)300與耦合光柵200的結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖3,最上方的周期性結(jié)構(gòu)即耦合光柵200,耦合光柵200下方是作為光檢測結(jié)構(gòu)的PN結(jié)300,耦合光柵200可以由SOI (Si Iicon-On-Insulator,絕緣襯底上的娃)構(gòu)造,也可以由高分子聚合物如BCB、SV8、PMMA等制成;PN結(jié)300為在P型基底上注入N阱制作而成,PN結(jié)300上面布置了一層二氧化硅作為絕緣層400。本發(fā)明的工作原理是首先,光傳感系統(tǒng)中平面光波導(dǎo)100對入射光信號進(jìn)行調(diào)制處理形成輸出光信號;然后,在平面光波導(dǎo)100后端布置稱合光柵200,改變平面光波導(dǎo)100輸出光信號的傳輸方向并將其耦合到耦合光柵200下的PN結(jié)300中,PN結(jié)300對耦合進(jìn)去的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,通過CMOS工藝布置相應(yīng)的運(yùn)算電路,對光檢測器輸出的電信號按照既定算法進(jìn)行運(yùn)算處理,最終得出待測量。應(yīng)當(dāng)理解,本發(fā)明的平面光波導(dǎo)可以采用各種類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),微環(huán)諧振腔只是其中之一,盡管工作原理不同,這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)在于當(dāng)外界的待測量作用于臨近波導(dǎo)的敏感元件時(shí),敏感元件的變化會通過某些效應(yīng)使這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特征發(fā)生改變,從而使波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑盘柕哪承┬再|(zhì)發(fā)生變化。從數(shù)學(xué)角度來看,這些光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于對入射的光信號進(jìn)行了不同性質(zhì)的調(diào)制。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)PN結(jié)300作為光檢測器,以感應(yīng)調(diào)制后的光信號,并將之轉(zhuǎn)換成便于運(yùn)算分析的電信號,作為光檢測器的光電二極管、光晶體管等均可以作為實(shí)施例之一。最后,可以根據(jù)相關(guān)算法運(yùn)用基本的運(yùn)算模塊搭建運(yùn)算電路,對光檢測器輸出的電信號進(jìn)行運(yùn)算處理,從而得出傳感器的待測量。由上述說明可知,使用根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以將平面光波導(dǎo)和光電器件如光電二極管(photo diode)、光晶體管(photo transistor)等結(jié)合在一起,一方面,使得光傳感系統(tǒng)能夠探測更多人們感興趣的信息;另一方面,由于平面光波導(dǎo)本身具有制作簡單和便于集成的優(yōu)點(diǎn),通過微納米加工工藝,便可以在單一芯片上集成更加復(fù)雜的光電性能。
      在上述實(shí)施例中,僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
      權(quán)利要求
      1.一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),包括集成設(shè)置在CMOS芯片上的光傳感器和與所述光傳感器連接的運(yùn)算電路,其特征在于所述光傳感器由傳感單元陣列而成,所述傳感單兀包括平面光波導(dǎo)、稱合光柵和PN結(jié),所述稱合光柵將所述平面光波導(dǎo)輸出的光信號率禹合至所述PN結(jié),所述PN結(jié)與所述運(yùn)算電路連接。
      2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述平面光波導(dǎo)為微環(huán)諧振腔。
      3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述PN結(jié)的最上層設(shè)置有ー層絕緣層。
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),其特征在于所述絕緣層為ニ氧化硅材料。
      全文摘要
      本發(fā)明提供了一種基于平面光波導(dǎo)的光傳感系統(tǒng),包括集成設(shè)置在CMOS芯片上的光傳感器和與所述光傳感器連接的運(yùn)算電路,所述光傳感器由傳感單元陣列而成,所述傳感單元包括平面光波導(dǎo)、耦合光柵和PN結(jié),所述耦合光柵將所述平面光波導(dǎo)輸出的光信號耦合至所述PN結(jié),所述PN結(jié)與所述運(yùn)算電路連接。其有益效果是通過COMS工藝將平面光波導(dǎo)與光傳感器集成在同一芯片上,具有結(jié)構(gòu)簡單,易于加工和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
      文檔編號G01D5/34GK102692244SQ201110074059
      公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
      發(fā)明者劉若鵬, 孫豪文, 欒琳, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院
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