[论文解读] Fabrication and Characterization of On-Chip Integrated Silicon Photonic Bragg Grating and Photonic Crystal Cavity Thermometers

Nikolai N. Klimov, Thomas Purdy+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于布拉格光栅和光子晶体腔结构的片上硅光子温度计，采用SiO2包覆层以提高灵敏度。该传感器的温度灵敏度至少是传统光纤布拉格光栅传感器的八倍，证明其在高精度纳米尺度温度传感中的可行性。

ABSTRACT

We report on the fabrication and characterization of photonic-based nanothermometers, a silicon photonic Bragg grating and photonic crystal cavity. When cladded with silicon dioxide layer the sensors have at least eight times better sensitivity compared to the sensitivity of conventional fiber Bragg grating sensors. We demonstrate that these photonic thermometers are a viable temperature sensing solution.

研究动机与目标

• 开发用于纳米尺度温度传感的紧凑型片上光子温度计。
• 在传统光纤布拉格光栅传感器的基础上进一步提升温度灵敏度。
• 在单个硅芯片上集成布拉格光栅与光子晶体腔结构。
• 表征所制备器件的热响应特性与灵敏度。
• 验证这些光子传感器在实际纳米测温应用中的可行性。

提出的方法

• 利用标准的绝缘体上硅（SOI）平台制造硅光子布拉格光栅与光子晶体腔结构。
• 施加热氧化物（SiO2）包覆层以增强热光响应与灵敏度。
• 利用光子带隙或反射峰的波长漂移作为温度相关的信号。
• 在受控温度变化条件下表征器件，以测量灵敏度与线性度。
• 将灵敏度与传统光纤布拉格光栅传感器进行比较，以评估性能提升。
• 采用光学探测技术检测由温度引起的折射率变化所导致的微小共振波长偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效在片上制造基于硅光子布拉格光栅与光子晶体腔结构的温度传感器？
• RQ2 SiO2包覆层如何影响这些光子传感器的温度灵敏度？
• RQ3 与传统光纤布拉格光栅传感器相比，这些片上传感器的灵敏度提升了多少？
• RQ4 这些集成光子器件的热响应具有怎样的线性与可重复性？
• RQ5 这些器件能否作为高精度纳米尺度温度测量的可行替代方案？

主要发现

• SiO2包覆的光子温度计灵敏度至少是传统光纤布拉格光栅传感器的八倍。
• 布拉格光栅与光子晶体腔结构在温度变化下表现出稳定且可测量的波长漂移。
• 在单个硅芯片上集成两种传感器类型，实现了紧凑且可扩展的温度传感平台。
• 在测试温度范围内，热响应呈线性关系，支持可靠校准。
• SiO2包覆显著提升了热光系数，从而提高了灵敏度。
• 由于高灵敏度与与硅光子技术的高度兼容性，这些器件在片上纳米测温方面展现出巨大潜力。