【摘 要】
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集成电路的温度监测对电路系统高效工作起到重要作用,当前正在应用的温度传感器尺寸大、灵敏度低,不能满足集成电路微尺寸、高性能的发展需求。微环谐振器（Microring resonator,MRR）是集成光学领域里面的一种广泛应用的多功能器件,因其具有尺寸小,集成度高,能耗小等优点,在光通信、光信息处理等光电领域中得到广泛应用和发展。本文在传统MRR的基础上,研究设计一种片上温度传感器,通过构建特殊波
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“面向片上网络资源内核的测试技术及优化方法研究”（项目编号:61861012）
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集成电路的温度监测对电路系统高效工作起到重要作用,当前正在应用的温度传感器尺寸大、灵敏度低,不能满足集成电路微尺寸、高性能的发展需求。微环谐振器（Microring resonator,MRR）是集成光学领域里面的一种广泛应用的多功能器件,因其具有尺寸小,集成度高,能耗小等优点,在光通信、光信息处理等光电领域中得到广泛应用和发展。本文在传统MRR的基础上,研究设计一种片上温度传感器,通过构建特殊波导结构增大光场与待测环境的重合度,以及在波导表面涂覆温度敏感材料作为包层提高传感器的灵敏度,降低器件尺寸和功耗。论文主要内容如下:1.基于微环谐振器的长波导片上温度传感器从增大待测环境与光场重合度入手,将一个微环波导和一个弯曲半径相同的跑道型波导级联,构成光波导传感器。在不同温度下,传感器波导的有效折射率在热光效应作用下发生改变,波导长度也会受热膨胀效应的影响,使光谱谐振峰发生偏移。当微环半径为3.1,跑道型波导中直波导为9.7时,实验仿真得到该传感器的灵敏度为100/℃,突破了单微环83/℃的限制;自由光谱范围（Free Spectral Range,FSR）为39.259)9),分辨率为0.47℃,提高了温度测量范围,并获得了较好的分辨率。2.基于游标效应的级联微环谐振器片上温度传感器从复杂传感器结构入手,将两个具有不同温度灵敏度和FSR的微环作为参考环和传感环垂直级联构成,并在参考环和级联波导上覆盖具有负热光系数的Ti O2作为上覆盖层,留出传感环作为传感窗口。当温度变化时,传感环的输出光谱受热光效应和热膨胀效应的影响发生偏移,并在两环作用下产生游标效应,放大传感光谱偏移量。传感器级联双环的半径为39.52和38.17时,实验得到的传感器灵敏度达到303.6/℃,是单微环温度灵敏度3.65倍,传感器的测量范围为100℃。3.基于温度敏感包层的微环片上温度传感器从温度敏感材料涂覆包层入手,在传感器波导上涂覆温度敏感材料,增大波导对温度变化的敏感度。以全通型MRR为传感器基本结构,在波导表面涂覆一层对温度更敏感的乙醇作为波导的包层,增加波导结构的温度敏感度,实现传感器灵敏度的提升。当传感器设计的半径为3.34,敏感包层涂覆厚度为0.12时,通过实验得到该传感器灵敏度达到105/℃,同时拥有良好的线性度,在灵敏度和传感器尺寸等方面有较大的改善和提高。
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