[论文解读] Thermo-optic coefficient measurement of liquids using silicon photonic microring resonators

Prashanth R. Prasad, Shankar Kumar Selvaraja+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于硅光子微环谐振器的片上平台，用于测量液体的热光系数（TOC），该平台利用温度依赖的谐振波长漂移以及片上集成的温度传感技术。该方法测得去离子水的TOC为−1.12×10⁻⁴/°C，不确定度为±8.26×10⁻⁶/°C，实现了折射率传感中实时热噪声补偿。

ABSTRACT

On-chip measurement of thermo-optic coefficient (TOC) of samples along with on-chip temperature measurements can be used to compensate for thermal fluctuation induced noise in refractometry using integrated photonic sensors. In this article we demonstrate a device design and describe the method to extract TOCs of liquid samples using resonant wavelength shifts of a silicon microring resonator. The TOCs of three standard fluids; De-ionized water, Ethanol and Isopropanol, were determined using our sensor and show a good agreement with values reported in literature. A mechanism for tracking of on-chip temperature variations is also included for ensuring accuracy of TOC measurements. Potential applications of the demonstrated on-chip TOC sensor include improvements in accuracy of refractive index measurements and multiparametric analysis of biochemical analytes.

研究动机与目标

• 开发一种基于硅光子微环谐振器的紧凑型片上方法，用于测量液体分析物的热光系数（TOC）。
• 通过精确测量TOC和温度，实现实时校正，以解决片上折射率传感中的热噪声问题。
• 通过直接测量分析物的TOC而非依赖参考环，减少因制造失配和空间温度梯度引起的误差。
• 通过独立测量TOC，实现多参数分析，因为TOC与化学组成和热膨胀系数相关。

提出的方法

• 利用硅微环谐振器的谐振波长随温度变化的漂移，提取周围液体的热光系数。
• 基于高对比度波导中的场限制理论，建立有效折射率变化与芯层、包层及埋氧层温度相关折射率变化的函数关系模型。
• 在芯片上集成金属环结构，通过电学电阻测量监测局部温度变化，实现实时热追踪。
• 采用已知温度斜坡的校准方法，通过测量谐振波长漂移与温度的关系斜率来计算TOC。
• 利用模场仿真和扫描电子显微镜（SEM）测量，量化波导宽度变化和斜率测量噪声带来的不确定性。
• 通过误差传播方法推导不确定性贡献，结合斜率不确定性和波导宽度变化，估算总TOC不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用硅光子微环谐振器在片上准确测量液体的热光系数？
• RQ2 如何实现实时监测片上温度变化，以提高TOC测量的准确性？
• RQ3 该方法中TOC估算的主要不确定性来源是什么？如何对其进行量化？
• RQ4 该方法能否通过补偿热波动，实现改进的折射率传感？
• RQ5 所测得的标准液体（如水、乙醇和异丙醇）的TOC值与文献值的一致性如何？

主要发现

• 测得去离子水的热光系数为−1.12×10⁻⁴/°C，总不确定度为±8.26×10⁻⁶/°C。
• 不确定性预算主要由斜率测量不确定性（6.42×10⁻⁶/°C）和波导宽度变化（5.19×10⁻⁶/°C）主导，其综合效应通过平方和开方方法计算。
• TOC测量的检测限确定为2.47×10⁻⁵/°C，定义为标准不确定度的三倍。
• 乙醇和异丙醇的测得TOC值与文献值一致，验证了该方法的准确性。
• 通过金属环电阻实现的片上温度传感可实现实时监测局部热变化，减少空间温度梯度引起的误差。
• 该方法可实现无需依赖参考环的直接片上TOC测量，有效缓解制造失配和空间热漂移带来的影响。