[发明专利]一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，包括硅衬底、二氧化硅层、直波导、环形波导以及磁光薄膜。通过在磁光薄膜外施加外磁场，改变磁光材料的介电常数，使得所述基于硅基微环谐振器的磁场传感器的输出谐振峰发生漂移，实现磁场测量。具有稳定性高、尺寸微型化、抗电磁干扰能力强、制作成本低的特点。

技术领域

本发明涉及本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器。

背景技术

磁场传感器在日常生活中应用广泛，如电力系统、航天航空、汽车工业以及医疗生化等领域。同时随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟，微环谐振器也得到了越来越多的关注，具有成本低，体积小，损耗小，机械稳定性高且能与其他波导器件兼容等优点，并在滤波器，传感器，光调制器等领域具有很高的研究和应用价值，成为了最具发展潜力的光电集成器件之一。随着光互联等新兴行业的发展，集成化、微型化、高性能是新时代传感器的发展方向及发展要求。

但是现有的磁场传感器还存在尺寸不够理想、抗电磁干扰能力一般以及灵敏度不尽如人意的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，能够克服现有产品的缺陷，具有稳定性高、尺寸微型化、抗电磁干扰能力强、制作成本低的特点。

第一方面，提供一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，所述磁场传感器包括硅衬底、二氧化硅层、直波导、环形波导以及磁光薄膜，所述二氧化硅层设置于硅衬底上，所述直波导与环形波导均设置于二氧化硅层表面上，所述环形波导内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜。

进一步，所述直波导与环形波导为硅波导；

进一步，直波导的两端用于光的输入和输出，其高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，用于支持单模光传输。

进一步，所述环形波导的高度满足150nm～280nm，宽度满足450nm～600nm，半径满足5um～100um，与直波导之间的耦合间距为100nm～300nm。

进一步，所述磁光薄膜的为钇铁石榴石磁光薄膜、掺铈石榴石磁光薄膜或掺铋石榴石磁光薄膜。

第二方面，提供一种如前所述的磁场传感器的制备方法，是采用绝缘体上硅(SOI)材料制作，上下包层材料为硅，中间层为二氧化硅层，通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、IPC深硅刻蚀和去胶处理，在上包层中得到直波导和环形波导，采用脉冲激光沉积技术，在环形波导内侧及上方分别设置一层磁光薄膜。

第三方面，提供一种基于硅基微环谐振器的磁场强度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上设置二氧化硅层，在二氧化硅层上设置直波导与环形波导，所述环形波导(4)内侧及上方分别设置有圆环形的磁光薄膜(5)，直波导(3)的两端用于输入和输出光；

步骤2：输入光为横电TE或者横磁TM偏振态基模，当输入光的偏振态为TE，且外磁场方向垂直波导平面的方向时，磁光薄膜(5)的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；当输入光的偏振态为TM，且外磁场平行于波导平面的方向且为径向时，磁光薄膜的介电常数发生改变，使得所述磁场传感器的输出谐振峰发生漂移；

步骤3：利用外加磁场与波长漂移之间的理论关系，得到传感处磁场强度H的大小：

上式中，△λ为输出谐振峰漂移量，R为微环半径，m为谐振级数，a为磁光相移与介电张量的虚部的比例系数，λ为输入波长，N为饱和法拉第旋转角与饱和磁场数值的比值，n_c为磁光材料的有效折射率，k₀是波数，H为待测磁场强度。

进一步，所述直波导与环形波导为硅波导。