快讯:片上多路复用纳米梁腔阵列实现高分辨温度准分布传感- 大数跨境

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快讯:片上多路复用纳米梁腔阵列实现高分辨温度准分布传感

两江科技评论

2023-12-06

导读：近日，西湖大学李兰研究员团队提出了一个基于非对称布拉格反射镜的可扩展纳米梁谐振腔极其阵列，实现了350 nm内无限FSR的光谱响应

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撰稿|由课题组供稿

导读

在芯片上实现无限自由光谱范围（FSR-free）的紧凑型光学滤波器对于开发新兴的传感应用至关重要，因为它可以最大限度地利用丰富的光学带宽资源。然而，目前芯片上光学传感系统在通道数量方面面临着挑战，主要是受限于光学滤波器有限FSR、大尺寸、高损耗等问题。近日，西湖大学李兰研究员团队提出了一个基于非对称布拉格反射镜的可扩展纳米梁谐振腔极其阵列，实现了350 nm内无限FSR的光谱响应，并成功展示了二维高空间分辨率的温度准分布传感。该研究成果以“High-resolution 2D quasi-distributed optical sensing with on-chip multiplexed FSR-free nanobeam cavity array”为题发表于国际知名光学期刊《Laser & Photonics Reviews》期刊。西湖大学博士生唐仁杰为第一作者，西湖大学助理研究员孙春雷为共同通讯作者。这项工作得到国家自然科学基金、西湖光电研究院重点项目、浙江省自然科学基金、西湖大学光电芯片研究专项支持计划等项目的资助。

研究背景

光学滤波器的研究促进了信息处理和光学传感的发展。通过在单个光链路上集成多个光学滤波器可以独立对不同波长通道进行调制处理，提高光通信和并行光计算的容量和能量效率。此外，光学滤波器还可用于多参数光学传感，通过在不同波长上排列传感单元，可获得温度、浓度、应变等物理量的空间分布信息。一维光子晶体纳米梁腔，由于其简单的几何形状和超紧凑的尺寸，以及可提供高品质因子(Q)和小模式体积(V)，在大规模多波长阵列应用中具有巨大的潜力。然而，当前报道的纳米梁腔由于多个纵模导致FSR受限，级联通道数量较少（≤5），分布式传感能力受限。

研究亮点

针对上述挑战，研究团队提出了一个可扩展的纳米梁腔原型，通过使用非对称布拉格镜来调控纳米梁腔的带结构，克服了FSR的限制（图1（a-b））。具体来说，研究人员使用非对称布拉格反射镜，反射镜两侧阻带的重叠区域（有效阻带），使其有效阻带只包含一个F-P腔的谐振峰（图1（c）），最终实现无限FSR的滤波器。

图1（a）非对称侧耦合纳米梁腔体的三维示意图。（b）非对称侧耦合纳米梁腔体的俯视图。（c）左（蓝色）和右（红色）布拉格镜的能带图。（d）左（蓝色）和右（红色）布拉格反射镜和侧耦合F-P腔（黑色）的透射光谱。

研究团队进行了器件制备（图2（a-d）），测试结果符合理论猜想。研究团队固定右侧周期为440 nm，左侧周期从340 nm开始增加，间隔为20 nm（图2（e））。当左侧周期增加到400 nm时，实现了无限FSR的滤波器，该谐振峰具有0.52 nm的3-dB光学带宽和14.5 dB的消光比（图2（f））。

图2 （a-d）非对称侧耦合纳米梁腔的扫描电镜图。（e）测量的不同左侧周期下的非对称侧耦合纳米梁腔的透射谱。（f）左侧周期和右侧周期分别为340 nm和400 nm时，在共振波长周围测得的透射光谱（蓝色）及其洛伦兹拟合曲线（红色）。

进一步的，研究人员通过将所制备的腔的左右周期同时改变，来调谐共振峰的波长，并将25个具有不同谐振波长的纳米梁腔串联起来。该阵列只有一个输入和输出端口，所有的谐振腔单元共享一个总线波导，面积仅占据大约215×120 μm²，如图3a和3b所示。所制备的两个阵列（记为A、B）归一化透射光谱分别如图3c和3d所示，在1370-1570 nm的200 nm波长范围内，这两个阵列的平均插入损耗仅为3.2 dB。这两个阵列总共有25个共振谷点，是迄今为止使用波长复用在单一波导上报道的通道数最多的微腔阵列。

图3. （a-b）阵列A和阵列B的显微镜图。（c-d）阵列A和阵列B的透射光谱。（e-f）从阵列A和阵列B中提取的每个谐振峰的中心波长和消光比。

最后，研究人员以准分布式光学传感场景作为该阵列的概念验证应用。可见激光（589 nm）通过传统的单模光纤（SMF-28）照射到器件表面。通过利用适当的可见激光功率和照射距离（150 mW，>100 μm），硅中可见光吸收引起的光热效应使波导温度升高，导致共振波长的红移。图4c的第一行展示了谐振腔阵列不同位置的可见激光照射图像（中心，左，右，上，下）。通过分析每个谐振腔的波长偏移，我们可以确定每个谐振腔的温度变化。图4d中的等高线颜色表示2D温度分布，与图4c中显示的分布一致。

图4. （a）准分布式传感装置原理图。（b）芯片表征设置图。（c）可见激光照射在空腔阵列不同位置的图像（第一行）。标尺，20 μm。（d）测量的二维温度分布（第二行）。

总结与展望

研究团队开发了一种具有非对称布拉格镜的可扩展侧边耦合纳米梁腔，该设计有效地压缩了左右布拉格镜的重叠停带，克服了FSR的限制，并且保持了小尺寸。制造的谐振腔在1370-1570 nm波长范围内具有单一的谐振峰，便于扩展到腔阵列。研究团队制造了两个具有不同间距的25个谐振腔阵列，所有腔阵列都通过单一总线波导连接。通过分析单个透射光谱，研究团队展示了25个谐振腔阵列实现二维准分布式温度传感的能力。该研究有望应用于高灵敏度和高空间分辨率的二维准分布式传感，该波分复用技术也有望在光通讯和光计算领域产生影响。

论文信息：

Tang, R., Sun, C.*, Bao, K., Chen, Z., Ju, Z., Wei, M., Wu, Y., Wu, J., Xu, K., Lin, H., Li, L.*, High-Resolution 2D Quasi-Distributed Optical Sensing with On-Chip Multiplexed FSR-Free Nanobeam Cavity Array. Laser Photonics Rev 2023, 2300828.

https://doi.org/10.1002/lpor.202300828

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