潮科技 | 集成纳米光机械传感器,使纳米计量“片上实验室”触手可及

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潮科技 | 集成纳米光机械传感器,使纳米计量“片上实验室”触手可及

图 | MEMS

编者按:本文来自微信公众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询,原文题目《集成纳米光机械传感器,使纳米计量“片上实验室”触手可及》,略有删减。

据麦姆斯咨询报道,荷兰埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)的研究人员开发出了一种微型集成光学传感器,能够提供更高的分辨率,使超紧凑光学器件成为可能,包括用于“片上实验室(lab-on-chip)”平台的激光器和探测器。该研究成果已发表于Nature Communications。

“基于光机械系统的光学读出传感器在传感领域已经很常见,例如原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)。”埃因霍温理工大学的开发人员说,“原子力显微镜将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触。带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面,而在垂直于样品的表面方向起伏运动。然后,利用激光束聚焦在微悬臂背面,通过测量悬臂在感兴趣表面上反射偏转的激光束变化,可以获得亚纳米分辨率的图像。”

凭借紧凑的光学传感器,“片上纳米计量实验室”触手可及

然而,原子力显微镜等传统基于激光的方案往往体积庞大,加上对低成本和高分辨率的要求,推动了替代方案的开发。

得益于纳米光机械系统的发展,现在已经可以利用紧凑型光学传感器来测量纳米尺度的运动、力和质量。不过,其中存在的一个限制因素是需要具有窄线宽的可调谐激光器,这类器件的集成还存在挑战。

为了解决这个问题,埃因霍温理工大学光子集成研究所的Tianran Liu、Andrea Fiore和同事们设计了一种新的光机械器件,其分辨率可达45飞米(45 x 10⁻¹⁵米),测量时间仅为几分之一秒。开发人员补充道:“关键是,该器件具有80纳米的超宽光学带宽,从而消除了对可调谐激光器的要求。”

四个波导和大波长范围

在该传感器结构的设计中,来自一个输入波导的光激发对称和反对称超模态的叠加,在定向耦合器中经过一个拍长后,在“交叉”输出端口处产生相长干涉。一个悬置波导的位移,改变了超模态的传播常数,产生相消干涉,从而增加了另一个波导的传输。作者解释称,两个输出波导的相对传输的变化是垂直和水平倏逝波耦合(evanescent coupling)共同作用的结果。

驱动悬置波导位移前(上)、后(下)通过定向耦合器的光

该研究中理想器件在悬置波导位移前、后(55纳米)的模拟电场分布(|E|)

这款传感器基于磷化铟(InP)硅上薄膜(membrane-on-silicon)平台,可用于激光器或探测器等无源器件。传感器本身由四个波导组成,两个波导悬置在两个输出波导上方。

器件堆栈的剖面示意图

当悬置波导被推向InP膜上的输出波导时,输出波导上的相对信号量会发生变化。其制造通过一系列光刻步骤来定义波导和悬臂,最终的传感器由传感器、执行器和光电二极管组成。

这款传感器的一个重要优点是可以在很宽的波长范围内工作,从而消除了对器件上昂贵激光器的要求。在悬臂梁挠度方面,该传感器还复制了传统原子力显微镜悬臂梁的分辨率。研究人员计划以这款新器件为基础,在可移动波导的顶部构建一个尖端,在一颗集成芯片上开发完整的“纳米计量实验室”,用于半导体计量测试,为下一代微芯片和纳米电子设计提供帮助。

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