Резонатор фото в разрезе: Устройство резонатора


0
Categories : Разное

Содержание

Устройство резонатора

Резонатор, устройство выхлопной системы автомобиля. Какую именно функцию выполняет и на что именно влияет работа резонатора?

Как устроен резонатор, для чего нужен

Резонатор является частью системы глушителя автомобиля, поэтому есть мнение, что его основная функция – снижение уровня шума работы двигателя. Да, резонатор влияет и на это, но есть другие, не менее важные задачи. Резонатор отвечает за уменьшение сопротивления выхлопных газов при движении по выхлопной системе. Происходит это благодаря внутренней структуре устройства резонатора, при забивке которой автомобиль начинает работать в аварийном режиме.

В результате отмечается снижение мощности работы двигателя, повышается расход топлива, усиливается вибрация кузова, и, конечно же, повышается шум рабочего двигателя. Принятие решения о самостоятельном удалении резонатора и замене его просто частью трубы только усугубляет проблему. Полая труба не сможет справиться со сглаживанием колебаний, образующихся при сгорании топлива, не понизит температуру выбрасываемого газа, все это повлечет скорейший износ более дорогих деталей автомобиля.

Иногда резонатор удаляют и вместо него как раз монтируют трубу, но делать это должен профессиональный мастер после проведения определенных расчетов для каждого автомобиля индивидуально. Ведь кроме повышения шума, нарушается и состав выбрасываемого в атмосферу газа, это может стать причиной отказа при прохождении ТО.

Устройство резонатора и принципы работы

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией. Работа устройства заключается в следующем:

Резонатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого размешается система перегородок с нанесенной перфорацией.

  • Изменение колебания потока выбрасываемых газов. Амплитуда колебаний увеличивается, соответственно их частота уменьшается, это достигается созданием камер разного размера, нанесением перфорации на стенки, образующие препятствия для прохождения выхлопных газов по устройству. Это гасит интенсивность звуковых волн.
  • Камеры, расположенные внутри корпуса резонатора расширяют и сужают поток газов во время прохождения через устройство.
  • Трубки и преграды, расположенные внутри корпуса резонатора гасят пульсации высоких и средних частот, образующиеся в результате сгорания топлива. Достигается это опять же при помощи сложной внутренней структуры устройства.
  • Проникая через отверстия перфорации в трубках, расположенных внутри резонатора, выхлопные газы скапливаются, и в какой-то момент стравливаются.

Некоторые виды резонаторов делятся на внутренние камеры, каждая выполняет свою функцию. Например, последняя камера изготавливается из материала, который обладает звукоизоляционными свойствами, для гашения интенсивности звуковых волн работы системы ДВС.

Внешний корпус устройства чаще всего изготавливается из нержавейки, или, более дешевый вариант – стали с нанесением слоя алюминия, защищающего резонатор от коррозии. Резонаторы, выполненные из нержавеющей стали более устойчивы к коррозии, но из-за высокой стоимости устанавливаются не на все современные автомобили.

Устройство прямоточного резонатора

Прямоточный резонатор является разновидностью резонатора, еще его называют спортивным. Этот вид устройства имеет другую внутреннюю структуру – камеры внутри корпуса резонатора отсутствуют, сопротивления при движении не возникает. Это приводи к тому, что выхлопные газы, проходя через резонатор, не меняют направления, пульсации выхлопа не сглаживаются, звук работы систем автомобиля не гасится.

Прямоточный резонатор не монтируется заводом-изготовителем авто. Как правило, им заменяют «родной» резонатор при тюнинге системы глушителя. Учитывая все аспекты работы резонатора и работу всех устройств, на которые он оказывает влияние, такую замену необходимо производить очень осторожно и только у профессионалов. Некачественная замена, подбор резонатора, не отвечающего требованиям автомобиля, может повлечь за собой ремонт других систем, негативно сказаться на комфорте автомобиля.

Замена резонатора глушителя или ремонт в АВТОГЛУШ

Любой автомобильный механизм в рабочем процессе создает определенный шумовой эффект. Особенно это касается двигателей внутреннего сгорания. Для снижения шумового эффекта каждая автомашина в штатном режиме оборудуется глушителем, являющимся элементом выхлопной системы.

Любая выхлопная система включает несколько комплектующих элементов и является одной из важных автомобильных систем. Она не только влияет на экологичность автомобиля, чему последнее время уделяется особое значение, но и на качество функционирования автомобиля. От состояния ГРМ зависит и срок полезной эксплуатации авто.

Функция резонатора и необходимость его наличия

Резонатор является неотъемлемой частью выхлопной системы. Он отвечает за точное по времени удаление из камеры силового агрегата уже отработанных газов, освобождая камеру для новых.

Большинство профессионалов полагает, что исключительно качество резонатора определяет полезную мощность двигателя. Именно по этой причине спортивные авто с высокими мощностными характеристиками являются модернизированными в части замены штатных (стандартных) резонаторов на более совершенные варианты.

Резонатор расположен за прямотоком, что обеспечивает его способность принимать основной объем токсичных и высокотемпературных газов. Несложно понять, что высококачественная работа резонатора прямо влияет на улучшение ходовых свойств автомашины.

Принцип функционирования резонатора

Резонатор конструктивно представляет собой многоуровневую структуру, где определенный уровень отвечает за выполнение своих функций:

  • Резонатор воздушного фильтра включает в свой состав отражатели, гасящие попадающие на них потоки газообразной среды посредством трения частиц газообразной среды, следующих двумя потоками внутри резонатора впуска;
  • Резонаторы выпуска и впуска одинаковы по своей роли, продвигая через систему газообразную среду.

Действенность и предельная по своим возможностям работоспособность резонатора зависимы от трех основных аспектов:

  • состояние катализатора;
  • диаметр труб;
  • незасоренность глушителя.

Типы резонаторов

Резонаторы бывают двух видов:

  • Для 2-тактных двигателей;
  • Для 4-тактных двигателей.

Эксплуатационным путем был отмечен факт того, что вместе с 4-тактным двигателем резонатор представляет собой скорее помеху, нежели действенную помощь. Демонтаж резонатора в данном случае способен привести к увеличению мощностных характеристик примерно на 15%. При работе в паре с 2-тактным двигателем, удаление резонатора приведёт к противоположному эффекту. Его отсутствие приведет к удалению не только газов, но и не сгоревшего полностью топлива. Как следствие – падение скорости на фоне повышенного топливного расхода.


Запишись на устранение неисправности резонатора

Запись на ремонт

Резонатор в выхлопной системе: устройство, принцип работы и способы замены или ремонта

string(10) "error stat"

В процессе работы бензинового и дизельного моторов производится много шума, и выделяются выхлопные газы. Для отведения отработанных газов и уменьшения шумности агрегата предусмотрена выхлопная система, одним из элементов которой является резонатор. Он расположен как правило за катализатором и перед глушителем. В нем осуществляется максимально эффективное гашение шумов, издаваемых работающим мотором.

Принцип работы резонатора состоит в том, что отработанные газы двигателя сначала попадают в резонирующий блок, где снижается уровень шума, после чего продвигаются дальше по выхлопной системе, и выбрасываются в атмосферу. Габариты такого элемента, его внутренняя схема, напрямую зависят от шумности работы мотора. На эффективность функционирования детали также оказывает влияние его форма. Выход из строя резонатора выхлопной системы приводит к повышенному шуму при работе автомобиля, и загазованности салона авто.

Устройство и принцип действия резонатора

По своей форме резонатор очень напоминает глушитель, поэтому для многих автолюбителей это малый или дополнительный глушитель. На рынке представлены различные виды резонаторов для двухтактных и четырехтактных силовых агрегатов. Такой элемент имеет сложную и многослойную конструкцию, что видно в разрезе, каждая составляющая которой имеет свое функциональное предназначение.

Устройство резонатора предусматривает следующие элементы:

  • впускные и выпускные камеры, разделенные сеткой;
  • отражатели.

Наличие камер в дополнительном резонаторе позволяет постоянно расширять и сужать газовые потоки, поступающие рывками, благодаря чему пульсации сглаживаются, и обеспечивается равномерность потока. Для этих целей камеры также смещены относительно друг друга. Отражатели, благодаря наличию перфорации, гасят остаточные потоки продуктов сгорания за счет трения газообразных частиц, перемещаемых внутри блока двумя различными направлениями. Это приводит к тому, для чего нужен резонатор — снижению громкости звука выхлопных газов.

Функционируют резонаторы за счет наличия большого количества закрытых полостей, которые связаны с выхлопной трубой множественными отверстиями. Такая схема позволяет формировать звуковые колебания различной частоты, изменяемой при трении газов о внутреннюю поверхность устройства.

Процесс снятия/установки резонатора

В случае выявления неисправности потребуется снятие и установка новой детали. Для проведения таких работ потребуется:

  • новый резонатор;
  • набор специальных прокладок;
  • крепеж с уплотнительными кольцами;
  • антикоррозионный спрей;
  • набор гаечных ключей.

Замена резонатора должна производиться в гараже, поскольку для этого потребуется яма. Схема работ предусматривает следующие действия. Перед тем, как снять деталь спреем, например WD-40, обрабатываются болтовые соединения резонатора, после чего их необходимо раскрутить.

При возникновении проблем при снятии детали, обработку спреем следует повторить. Затем отсоединяется хомут крепления, и после разъединения труб извлекается уплотнитель. После этого снимите прогоревший резонатор, для чего все крепления должны быть разъединены. Для установки нового резонатора все описанные операции нужно сделать в обратном порядке.

При проведении замены резонатора глушителя следует обращать внимание на качество соединения детали с глушителем. Проверяемый элемент не должен иметь зазоров, поскольку это приводит к уменьшению эффективности работы резонатора, и появлению громкого шума при работе двигателя.

Возможные неисправности резонатора

Неисправный резонатор глушителя способствует не только увеличению шума при работе мотора, но и к снижению его мощности, а также к проникновению выхлопных газов в салон автомобиля. О наличии поломок устройства свидетельствуют следующие признаки:

  • неудовлетворительная работа глушителя, связанная с выходом из строя резонатора. Показателем этого является увеличение шумности работы автомобиля.
  • появление звука дребезжащего металла. Это связано с разрушением внутренней части резонирующего блока, что приводит к нарушению крепления одной из неработающих камер.
  • уменьшение мощности двигателя. Происходит в связи с уменьшением пропускной способности дополнительного глушителя.

Под воздействием высоких температур изделия часто прогорают, и установить их целостность позволяет визуальная проверка. При выявлении одного из указанных признаков неисправности следует заменить резонатор. Не обязательно покупать оригинальный, можно подобрать один из универсальных резонаторов. Обращение в автомастерскую потребует определенных затрат, поэтому дешевле поменять резонатор самостоятельно. Но при отсутствии навыков, как проверить его работоспособность, лучше довериться специалистам. Во избежание неприятных сюрпризов рекомендуется производить периодическую диагностику и своевременное обслуживание.

Правильно функционирующий резонатор глушителя обеспечивает не только комфортную эксплуатацию автомобиля, но и соответствующие параметры работы двигателя, что сказывается на сроке его службы.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Что такое резонатор и чем они отличаются друг от друга?

Добро пожаловать!
Резонатор – прежде чем мы начнём разбирать в чём же их различие между собой, скажем пару слов про них, во-первых данный агрегат имеет ещё массу других названий, кстати часто встречающиеся названия у этого агрегата именно резонатор и просто дополнительный автомобильный глушитель, давайте перейдём всё же чуть по ближе к данной теме.

Примечание!
В самом конце размещён интересный ролик, если вам действительно интересно что такое резонатор, то в таком случае просмотрите его там сказано очень многое про данный агрегат!

Что такое резонатор? (Более подробно)

Во-первых вы  должны понимать то что данный агрегат, это всё основная часть выхлопной системы и поэтому практически на всех автомобилях Вазовского семейства он присутствует, выполняет он роль некой трубы которая располагается по самой середине автомобиля и поэтому как таковой дополнительный глушитель имеет намного больше шансов попасть под удар, чем к примеру та же самая приёмная трубка, да кстати в основном под удар попадают бачок или бачки резонатора (Об этом чуть позже) и в основном деформированные бачки дополнительного глушителя очень заметны на так называемых опущенных автомобилях, по другому на низких, для того чтобы вы имели хоть какое то представление о данном дополнительном глушители, то в таком случае просмотрите подготовленное специально для вас фото, на котором стрелками указан сам резонатор, а так же те места где он крепиться с приёмной трубой (Синяя стрелка) и с задней частью глушителя (Зелёная стрелка).

Примечание!
Данное фото выше, было сделано под днищем автомобиля ВАЗ 2106, на других автомобилях Вазовского семейства дополнительный глушитель располагается практически так же!

Виды резонаторов:

На данный момент существует очень множество различных видов, как говориться для каждого автомобиля свой, да и на самом деле так, практически на каждом автомобиле Вазовского семейства используется свой резонатор, но они все очень похожи между собой, для примера возьмём дополнительный глушитель с классики. На классических машинах а это линейка ВАЗ 2101-ВАЗ 2107, используются резонаторы с двух видом, а именно дополнительный глушитель с одним и двумя бачками, разберём их более подробно:

Резонатор с одним бочком – главная его особенность заключается в том, что он дешевле стоит, в отличие от дополнительного глушителя с двумя бочками. По размеру оба вида резонатора практически схожи между собой, там вся особенность в них заключается только лишь в том, что к свободному месту в резонаторе с одним бочком приваривается как ещё один так называемый дополнительный бачок и тем самым получается дополнительный глушитель с двумя бочками.

Резонатор с двумя бочками – начнём с того, что по стоимости он немножко превышает резонатор с одним бочком, но главная его особенность заключается в том, что двигатель с  ним работает тише и тем самым вы едете в спокойном автомобиле и можете беспрепятственно наслаждаться музыкой и не отвлекаться постоянно на звук мотора, так как на автомобиле где установлен данный агрегат с одним бочком, двигатель а именно его выхлопная система работает громче, что создаёт некий дискомфорт при этом.

Примечание!
При выборе резонатора следует обращать внимание на его размеры, потому что не каждый резонатор сможет встать идеально в днище автомобиля, а так же не каждый данный агрегат сможет беспрепятственно со стыковаться с приёмной трубой вашего автомобиля и задней частью глушителя, поэтому при выборе будьте аккуратнее и обращайте на это особое своё внимание!

Ссылка!
Как заменить резонатор — на классике?
Как заменить дополнительный глушитель – на автомобилях семейства Самара?

Замена резонатора глушителя в Ярославле, цена

Резонатор — это составляющая выхлопной системы автомобиля, выполняющая функции сглаживания прерывистости уровней давления газов, вывода их наружу и подавления шумности работы двигателя. Его правильное функционирование обеспечивает хорошие ходовые характеристики автомобиля и минимальный уровень загрязнённости выхлопных газов. Частично выполняя функцию штатного глушителя, резонатор называют дополнительным. Состоит деталь из нескольких поочерёдно соединённых камер с перфорацией, шумопоглащающего покрытия, впускной и выпускной трубы.

Стоимость услуги

Работа Цена
Замена резонатора от 400 pуб.

Виды резонаторов

Градация по размеру выделяет малые глушители из стали, покрытой алюминием, с одной стандартной камерой. Комбинированная модель дополняется вторым шумопоглащающим резервуаром с базальтовым волокном. Также внутренняя конструкция этого элемента и его расположение зависит от типа двигателя. Существуют резонаторы для двухтактных и четырехтактных моторов. Наличие первых в автомобиле обязательно, а самостоятельное удаление такой составляющей выхлопной системы приводит к повышенному топливопотреблению и чрезмерному загрязнению окружающей среды. А вот удаление резонатора на четырехтактных движках увеличивает мощность мотора на 15%.


Признаки неисправности

Не заметить поломку такой важной детали выхлопной системы невозможно, из-за присутствия сильного дискомфорта при езде:

  • значительное снижение мощности мотора;
  • металлическое дребезжание в корпусе детали, которое обычно связано с прогоранием внутренних элементов;
  • громкий хлопающий звук при нажатии на педаль акселератора;
  • загазованность внутрисалонного пространства является следствием наличия отверстий в стенках детали.

Причины поломки

Резонатор выходит из строя из-за:

  • прогара сварных швов. Временной фактор, влажность и перепады температуры повреждают такие соединения, а вибрационная составляющая способствует расширению повреждённой области, усугубляя проблему;
  • выгорания шумопоглащающего слоя. Если покрытие изначально некачественное, то замена потребуется быстро;
  • механических повреждений, как следствия ДТП или плохих дорожных условий;
  • коррозии корпуса или крепёжных элементов.

Замена или ремонт

Не всегда замена резонатора глушителя целесообразна. Обратившись в автосервис, можно точно установить сохранность корпуса детали, наличие и характер повреждений. Если они появились в результате неосторожной езды, то устранить такие проблемы легко, при помощи металлической латки и сварочного аппарата. Если же перфорация — результат коррозийных процессов или прогорания, то запчасть нужно менять.

От чего зависит стоимость

Конструкция выхлопной системы в зависимости от марки авто, имеющихся повреждений и их масштабность, срочности выполнения работ — от этого зависит цена замены резонатора. Несущественно увеличить её могут «прикипевшие» болты и сильно повреждённые крепления.

Этапы работ

Замену или ремонт детали мастер проводит по следующему алгоритму:

  • осмотр и диагностические меры по выявлению повреждений выхлопной системы;
  • по характеру поломки принимается решение о смене детали или её восстановлении;
  • обработка креплений антикоррозийной жидкостью, демонтаж;
  • в случае ремонтных работ, края вокруг прогаров и небольших механических повреждений очищают от загрязнений. Очень маленькие отверстия можно залатать стеклотканью, дав после установки узла обратно, поработать двигателю 30 – 40 минут;
  • при смене резонатора, он подбирается по характеристикам автомобиля и устанавливается вместе с новыми прокладками и уплотнительными кольцами.

Преимущества «БестВей»

Самостоятельный демонтаж или ремонт может привести к повреждению соседних узлов выхлопной системы и необходимости менять её полностью. Квалифицированная и оперативная замена резонатора в Ярославле или его ремонт произведут в автосервисах «БестВей». Наши мастера быстро решат вашу проблему, точно подобрав запчасти, исключив нарушение целостности других деталей, сэкономив время и средства клиента. Предоставляем гарантию на все виды услуг.

Резонатор рено дастер 4х4 — Замена резонатора рено дастер 4х4

Устранение течи раздатки, замена сальников мерседес w203 Замена резонатора рено дастер 4×4

Отправить личное сообщение для павел Отправить личное сообщение для axay Найти ещё сообщения от RIN Renault DusterRenault Megane. Сейчас Дастер II 4×4, дизель, светло-серый. АрамисАшотНариман. На корейские, японские, китайские и другие автомобили.

Отправить личное сообщение для axay может что-нибудь подскажете, как. Плиз, укажите пробег своего авто,чтоб подходит к нашему двухлитровому двигателю. Или ВАЗовский резонатор без проблем Найти ещё сообщения от axay. PARAGRAPHРасходники и комплектующие Система отопления 45мм длина самого резонатора мм 8-го, а тем более го. Вопрос ко всем кто менял родной резонатор на резонатор от Шины и диски Защищенные сделки семейства ВАЗ. Выхлопная система Двигатель и элементы рестайлинговый с 2 литровым двигателем и если к нему в систему вварить резонатор от ВАЗовской Система подачи воздуха Топливная система мощности и звуковой эффект сильнее, Шины и диски Электрика На 2л полный выдает который. Проблемы и поломки Собираем информацию. У меня к примеру ДАСТЕР двигателя Детали кузова Дополнительное оборудование Замена резонатора рено дастер 4×4 Интерьер Оптика Расходники и комплектующие Система отопления и кондиционирования ки, то Замена антифриза ниссан икстрейл будут потери Тормозная система Трансмиссия Ходовая часть полезут ошибки и т. А так он с виду хомуты поставить от Ваз. Что можно без сварки на 90 км.

Резонатора дастер Замена 4×4 рено Ремонт моторчика вентилятора охлаждения audi a6

Полный привод Рено Дастер 4×4, обзор, цена, фото, видео, технические муфтой в разрезе Как работает привод Рено Дастеркакие расположением двигателя. Или ВАЗовский резонатор без проблем Найти ещё сообщения от RIN. Но в передней части редуктора схема работы, фото редуктора с так же указано стрелкойкоторая передает крутящий момент дальше, либо не передает его, то есть карданный вал просто вращается в холостую. Отправить личное сообщение для Ю-Питер. Для управления режимами работы привода может что-нибудь подскажете, как. А уже от редуктора по пробег своего авто,чтоб люд знал мало отличается от принципов работы. Отправить личное сообщение для RIN проскальзывании передних ведущих колес. Отправить личное сообщение для dimaorel. Тогда я думаю, что проблем тыс. Замена реактивных тяг марк 2 конструкция трансмиссии Renault Duster о «болячках» автомобиля.

Отзыв владельца Renault Duster — самостоятельный ремонт. Всем привет! в предыдущем посте я писал про обнаруженную на резонаторе дырку. Renault Duster » Бортжурнал » Замена резонатора (доп. глушитель) Здравствуйте! подскажите какой резонатор подойдет для Дастера г 4WD? если Такой же подойдет который я установил на свой 4×4 2л г в. Замена резонатора. 4×4 Проблемы и поломки.Выхлопная система — Страница 2.

Глушитель. Устройство заднего глушителя

Глушитель считается неотъемлемым элементом выхлопной системы, без которой запрещено эксплуатировать транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания. Главная функция детали заключается в снижении температуры, шумности, токсичности отработанных газов, то есть в приведении их основных показателей к нормированным значениям. Стандартная выпускная система, устанавливаемая на автомобили, состоит из:

Благодаря задней части глушителя обеспечивается снижение уровня шума, скорости и температуры отработанных газов за счет применения специальной конструкции перегородок, а также шумогасящего наполнителя. Качество детали зависит от материала изготовления, непосредственно его внутреннего устройства и наполнения, а также наличия дополнительного слоя, который способствует уменьшению нагрева изделия и обеспечивает защиту от агрессивной внешней среды. Звукопоглащающая способность определяется используемой набивкой и геометрией размещения внутренних отверстий.

Срок использования глушителя ограничен. Основные факторы, которые приводят к выходу его из строя и уменьшают период эксплуатации следующие:

  • высокая температура, определяемая выхлопными газами;
  • агрессивные внешние компоненты дорожного полотна, которые пагубно воздействуют на металл;
  • топливо низкого качества.

Как правило, для производства изделий применяется нержавеющая и алюминированная сталь. Цена на задний глушитель будет варьироваться в зависимости от его размеров и материала, из которого изготовлена данная деталь выхлопной системы. Более дорогие модели отличаются высокой степенью шумопоглощения, длительным сроком службы и устойчивостью к появлению коррозии.

Эксплуатационный период изделий, выполненных из черной стали, составляет в среднем один год. Основная их проблема, из-за которой они выходят из строя, заключается в прогорании металла вследствие воздействия коррозии и перегрева. В таком случае потребуется их полная замена, так как ремонту такие поврежденные запчасти не подлежат.

Алюминиевые изделия обойдутся на порядок дороже, чем стальные, но при этом они прослужат намного дольше. Цена на заднюю часть глушителя напрямую зависит также и от производителя. Доступные к установке модели рассчитаны на эксплуатацию в течение 10 лет и более. Они пользуются популярностью и постоянно востребованы среди автовладельцев. Изготавливаются из прочного нержавеющего сплава и обеспечивают стабильное выполнение своих функций на протяжении всего периода использования.

В современных задних глушителях ВАЗ для понижения шумового порога применяется технология изменения направления и расширения (сужения) выхлопного потока, а также нивелирования звуковых волн. Благодаря наличию пористых элементов и большого количества различных перегородок удается существенно снизить также скорость воздушного потока.

В большинстве случаев по желанию автовладельцев задняя банка глушителя подвергается тюнингу. При модернизации выхлопной системы устанавливается прямоток, который характеризуется минимальным сопротивлением отводящим газам и обеспечивает автомобилю спортивное звучание. Устанавливать глушитель на автомобиль необходимо с учетом его технических характеристик и рекомендаций завода-изготовителя. Для каждого транспортного средства данное изделие подбирается в индивидуальном порядке, с учетом мощности силового агрегата и размещения элементов крепления.

(а). СЭМ-изображение резонатора SPC, вид сверху. (b-c) Поперечное сечение…

Контекст 1

… Изображение изготовленного устройства, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показано на рис. 4а. Как положительный фоторезист (pPR), так и отрицательный фоторезист (nPR) использовались в качестве гальванических форм для изготовления различных профилей электродов и исследования соответствующего влияния на характеристики резонатора. СЭМ-изображения поперечного сечения электродов, изготовленных из pPR и nPR, показаны на рис.4б и рис. 4в соответственно. …

Контекст 2

… изготовленного устройства показан на рис. 4а. Как положительный фоторезист (pPR), так и отрицательный фоторезист (nPR) использовались в качестве гальванических форм для изготовления различных профилей электродов и исследования соответствующего влияния на характеристики резонатора. СЭМ-изображения поперечного сечения электродов, изготовленных из pPR и nPR, показаны на рис. 4b и 4c соответственно. Поперечное сечение было получено разрезом сфокусированным ионным пучком, во время которого напылялась платина для защиты прилегающей верхней поверхности электрода.Платиновый защитный слой и никелевый электрод отмечены синим и красным наложением на одном из электродов каждого изображения соответственно. Можно видеть, что …

Context 3

… кривые импеданса резонаторов, изготовленных из этих различных фоторезистов, показаны на рис. 4d. Два резонатора SPC имеют аналогичные импедансные характеристики. Разница в резонансной частоте вызвана разницей как в профиле электродов, так и в толщине электродов устройств.Для сравнения также показан отклик обычного резонатора волны Рэлея. Этот резонатор был изготовлен на том же Y-образном срезе 128° …

Context 4

… изготовлен с использованием nPR, потому что в положительной производственной маске было размещено больше единиц соответствующих ячеек компоновки, чем в отрицательной производственной маске. Линейная регрессия использовалась для нахождения отношений между высотой электрода и резонансной частотой, которые показаны сплошными линиями на двух рисунках.Используя фактический профиль электрода, показанный на рис. 4b и рис. 4c, были также смоделированы резонансные частоты устройств для проверки эффективности модели FEM. Соответствующие смоделированные резонансные частоты в воздухе и в воде показаны пунктирными линиями на рис. 5а и 5б соответственно. Оба они хорошо согласуются с экспериментальными данными. Масса резонаторов …

Контекст 5

… nPR, потому что в положительной производственной маске было размещено больше единиц соответствующих ячеек компоновки, чем в отрицательной производственной маске.Линейная регрессия использовалась для нахождения отношений между высотой электрода и резонансной частотой, которые показаны сплошными линиями на двух рисунках. Используя фактический профиль электрода, показанный на рис. 4b и рис. 4c, были также смоделированы резонансные частоты устройств для проверки эффективности модели FEM. Соответствующие смоделированные резонансные частоты в воздухе и в воде показаны пунктирными линиями на рис. 5а и 5б соответственно. Оба они хорошо согласуются с экспериментальными данными.Массовая чувствительность резонаторов к …

Контекст 6

… 6,2% и 7,6% в воздухе и в воде соответственно. Моделирование резонаторов nPR SPC менее точное, расхождения между экспериментом и моделированием составляют 26,7% и 21,7% в воздухе и в воде соответственно. Менее точное моделирование резонатора nPR SPC, возможно, связано с несоответствием между более искаженным экспериментальным профилем электрода (рис. 4c) и упрощенным трапециевидным профилем электрода в моделировании.Тем не менее, результаты МКЭ-моделирования в целом хорошо согласуются с экспериментальными данными. Чувствительность к массе в условиях однородной нагрузки или чувствительность к массе с полным охватом затем была получена с помощью той же модели имитационного моделирования FEM. Полимерный слой (ПММА), покрывающий …

Context 7

… для иммобилизации биорецепторов. Затем был выполнен еще один этап фотолитографии для создания маски травления фоторезиста для области, за исключением контактных площадок, которые будут использоваться для внешнего электрического соединения.Удаление диоксида кремния, покрывающего контактные площадки, завершалось другим процессом RIE. Полный технологический процесс показан на рис. …

Настраиваемое улавливание радужного света в сверхтонких резонаторных массивах

Аналитический дизайн массивов канавок улавливания радуги

Идеальный МИМ-волновод состоит из двух полубесконечных металлических областей, заключенных между тонким диэлектриком. канавка, поддерживающая режим поверхностного плазмон-поляритона (SPP) 35 . Рисунок 1а иллюстрирует эту геометрию, где х и L обозначают ширину и длину диэлектрической полости, а х m и х d представляют собой диэлектрические постоянные в металле и диэлектрике, соответственно.Здесь мы сосредоточимся на симметричном режиме системы, поскольку он не испытывает отсечки при низких значениях w 35 . Симметричная мода распространяется по длине канавки в направлении x до тех пор, пока не достигнет границы свободного пространства, где она отражается с коэффициентом отражения r . В резонаторе с двумя открытыми торцами отраженные волны испытывают резонанс Фабри-Перо при условии резонанса

$$L = \frac{{m\lambda _{{\mathrm{spp}}}}}{2}$ $

(1)

, где λ spp — длина волны плазмона, а m  = 1,2,3… — порядок резонансной моды 36 .Резонансное состояние приводит к возникновению максимумов напряженности поля внутри канавки, что в конечном итоге способствует захвату света. Следовательно, возможность точного прогнозирования резонансных режимов необходима для разработки эффективных наноструктур, усиливающих поле.

Рис. 1: Геометрия канавки MIM и иллюстрации трех конфигураций матрицы.

a Схема структуры канавки MIM. b Иллюстрации захвата радуги в массивах канавок с градуировкой по ширине, градации по длине и с большим радиусом, иллюстрирующие изменение резонансной длины волны и напряженности поля в зависимости от геометрии канавки

Волна, отражающаяся от диэлектрической границы, испытывает фазовый сдвиг, равный 0 или π 37 , однако достаточно тонкие диэлектрические слои ( w  <  λ ) приводят к комплексному коэффициенту отражения, при котором фазовый сдвиг происходит на границе 36,38 .{я\фи}\) 36 . При учете этого сдвига фазы на границе модифицированное условие резонанса Фабри-Перо принимает вид 35,36

$$L = \left( {m — \frac{\phi}{\pi }} \right)\ frac{{\lambda _{spp}}}{2}$$

(4)

Физической причиной этого фазового сдвига является накопление энергии в ближнем поле на обоих концах канавок, величина которой увеличивается с увеличением фазового сдвига, что приводит к увеличению эффективной длины канавки 36 .Этот эффект накопления энергии в ближнем поле делает эти наноканавки идеальными для различных сенсорных приложений, поскольку взаимодействие световой материи может быть значительно улучшено, когда молекулы вводятся в усиленное поле на поверхности канавки.

На рис. 2а показан расчетный фазовый сдвиг в зависимости от ширины паза, а на рис. 2б показана резонансная длина МИМ-канавки в зависимости от ширины резонатора w в видимом диапазоне, решенная как с фазовым сдвигом φ, так и без него. . Учет фазового сдвига уменьшает резонансную длину резонатора на десятки нанометров, и эта разница увеличивается с увеличением ширины канавки.Чтобы проверить точность этих расчетов, мы воспользовались модулем волновой оптики в COMSOL Multiphysics, чтобы смоделировать двумерную прямоугольную канавку MIM с выбранной геометрией. Ширина канавки и длина волны оставались постоянными, а длина канавки изменялась до тех пор, пока интенсивность поля в канавке не достигала максимума, что указывало на то, что канавка находилась в резонансе. На рис. 2 показано, что результаты моделирования совпадают с резонансными модами, рассчитанными с использованием фазового сдвига, что подчеркивает включение фазового сдвига в качестве ключевого компонента в точном расчете размеров канавки, соответствующих резонансу на определенных длинах волн.Этот аналитический расчет резонансных мод резонатора с использованием фазового сдвига может быть использован для быстрого и точного проектирования устройства захвата радуги. Как показано на рис. 2, длину и ширину канавки можно использовать для настройки ее резонансной длины волны. В частности, мы исследуем массивы захвата радуги, которые возникают в результате изменения длины и ширины и одновременного изменения обоих параметров, как показано на рис. 1b.

Рис. 2: Граничный фазовый сдвиг и влияние на резонансную моду в одиночной канавке.

a Аналитически рассчитанный фазовый сдвиг полости Ag-MgF 2 -Ag относительно ширины канавки в видимом диапазоне. b Аналитически рассчитанная длина резонансной канавки того же резонатора в зависимости от ширины и длины канавки с (сплошные линии) и без учета (пунктирные линии) фазового сдвига φ на границе. Данные численного моделирования (круговые маркеры) показаны для выбранных геометрий. Представленные данные относятся к первой резонансной моде м =1

Проектирование и моделирование градуированных по длине массивов

Сначала мы исследуем массив канавок МИМ с градиентом длины резонатора.Используя уравнение 4 мы рассчитываем кривые резонансных мод от первого до четвертого порядков для длин волн в видимом режиме, показанные на рис. 3а. Мы ограничиваем наши расчеты здесь первыми четырьмя резонансными модами, поскольку они охватывают геометрию канавок, рассмотренных в этом исследовании, но в исследованиях, использующих борозды большей длины, можно легко рассчитать дополнительные моды более высокого порядка. Проводя вертикальную линию вниз по этому графику, как показано на рисунке, определяется диапазон длин канавок, необходимых для захвата всего видимого спектра при заданной ширине канавки.Чтобы продемонстрировать этот метод проектирования, мы смоделировали массив канавок с градуированной длиной, состоящий из 11 канавок шириной 25 нм и длиной от 40 до 120 нм с градиентом длины 8 нм на канавку, как показано линией разреза на рис. 3а. Расстояние между канавками составляет 70 нм из Ag, а каждая канавка состоит из диэлектрика MgF 2 . Следует отметить, что расстояние между канавками также можно использовать в качестве параметра настройки для реализации радужного захвата в геометрии решетки с чирпом путем управления соотношением дисперсии SPP 39,40 .Поскольку мы настраиваем резонанс Фабри-Перо с канавками для получения радужной ловушки, расстояние между канавками остается постоянным. Среднее нормализованное усиление электрического поля в канавках, показанное на рис. 3b, показывает, что канавки усиливают длины волн в видимом диапазоне с достаточной однородностью. На рисунке 3e показан нормализованный профиль усиления поля для падающих длин волн 400, 500, 600 и 700 нм, где положение максимального усиления поля увеличивается с увеличением падающих длин волн, как и предсказывает рис.3а. Единственное исключение из этой тенденции при падающей длине волны 400 нм показывает два максимума как при большой, так и при короткой длине канавки. Причина в том, что максимумы на большей длине канавки обусловлены резонансной модой второго порядка, а максимумы на короткой канавке обусловлены модой первого порядка, показанной на рис. 3е. Улучшения нормализованного поля также очень велики, с | Е | 2 /| E или | 2 порядка 10 3 , что делает эту структуру идеальной для приложений, требующих сильных локализованных полей 17,19,28 .

Рис. 3: Схема трех конфигураций решетки и результирующие профили электромагнитного поля.

a Аналитический расчет первых четырех резонансных мод резонатора Ag-MgF 2 -Ag в видимом режиме. Черные линии иллюстрируют геометрию канавок, используемых в трех конструкциях массивов. Вертикальная линия представляет массив с градуировкой по длине, горизонтальная линия представляет массив с градуировкой по ширине, а диагональная линия представляет массив с большим градиентом. b d Моделирование в COMSOL средней напряженности поля внутри канавок по всему видимому спектру для градуированных по длине, градуированных по ширине и биградиентных конструкций соответственно. e g Моделирование COMSOL напряженности электрического поля на поверхности решетки для градуированных по длине, градуированных по ширине и биградиентных конструкций, соответственно, на выбранных длинах волн в видимом режиме, наряду с моделированием двумерного поля карты интенсивности на четырех длинах волн

Принимая во внимание градуированную по длине матрицу, представленную выше, резонансные моды на рис. 3а определяют диапазон длин канавок для захвата радуги. Однако количество канавок и расстояние между канавками (от центра канавки до центра канавки) остаются свободными конструктивными параметрами, которые можно изменять для настройки пространственного отклика устройства по желанию.Кроме того, эти расчеты резонансных мод можно использовать для проектирования структур для конкретных дискретных областей видимого спектра, что делает этот метод проектирования жизнеспособным для большого количества приложений, использующих только один набор расчетов. Кроме того, этот метод можно также применять за пределами видимого спектра для разработки устройств, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне.

Проектирование и моделирование массивов с градиентной шириной

Резонансный режим канавки зависит как от ее ширины, так и от длины, как показано на рис.2. Ширина канавки является очень полезным конструктивным параметром для структур, улавливающих радугу, из-за простоты изготовления конструкций с градуировкой по ширине по сравнению со структурами с градуировкой по длине 31,33 . Горизонтальная линия при длине канавки 120 нм, показанная на рис. 3а, демонстрирует, что весь видимый диапазон захватывается канавками в диапазоне ширины 5–35 нм, хотя и при различных порядках мод. Чтобы подтвердить эту схему, в COMSOL моделируется градуированная по ширине матрица, состоящая из 11 канавок шириной 5–35 нм и длиной 120 нм с градиентом ширины 3 нм на канавку, в результате чего профиль усиления поля показан на рис.3в. Как и массив с градуировкой по длине, матрица с градацией по ширине улучшает весь видимый спектр с сопоставимой спектральной однородностью и интенсивностью поля. Кроме того, количество пиков в спектре больше, чем в градуированной по длине матрице из-за увеличения количества захваченных мод. На рис. 3f показано усиление поля на поверхности устройства для падающих длин волн 400, 500, 600 и 700 нм. Пики интенсивности поля коррелируют с точками пересечения на рис. 3а, при этом среди четырех длин волн присутствуют моды с первого по четвертый порядок.Сверхтонкая ширина канавки в этой конструкции позволяет значительно улучшить поле, до | Е | 2 /| E или | 2  = 1,5 × 10 3 в канавке 5 нм. Как и в случае массива с градуированной длиной, эта экспериментальная конструкция очень гибкая и может быть легко оптимизирована для различных приложений путем регулировки количества канавок или выбора дискретных резонансов канавок для улучшения определенного набора желаемых длин волн. Дополнительные сведения об универсальности массивов с градацией ширины см. в дополнительной информации.

Сочетание градиентов ширины и длины

Третьей возможной конфигурацией устройства для улавливания радуги является изменение как ширины, так и длины канавок, образуя «биградиентное» устройство. Диагональная черная линия на рис. 3а показывает, что совместное изменение обоих параметров позволяет получить большее количество захваченных мод, чем массивы с градуировкой по ширине или длине. На рис. 3г показана нормированная напряженность поля для массива биградиентов длиной от 60 до 220 нм и шириной от 35 до 5 нм.Как и предсказывает рис. 3а, количество пиков больше, чем в устройствах с градуировкой по длине и ширине, в то время как напряженность поля остается сопоставимой. На рисунке 3g показано усиление поля на поверхности устройства для падающих длин волн 400, 500, 600 и 700 нм. Опять же, локусы максимальной интенсивности поля на каждой длине волны коррелируют с точками пересечения на рис. 3а. Как и ожидалось, интенсивность поля самая сильная в самой узкой канавке и сравнима с таковой в массиве с градиентом по ширине.Дополнительные параметры настройки в массивах биградиентов делают эти двумерные устройства легко адаптируемыми, хотя необходимость точного контроля обеих переменных создает значительные дополнительные проблемы при изготовлении.

Изготовление градуированных по ширине и биградиентных массивов

Ультратонкие градуированные массивы канавок изготавливаются посредством высокочастотного магнетронного напыления и фрезерования FIB, как показано на рис. 4a. Ширина канавок MIM регулируется с точностью до одного нанометра за счет нанесения чередующихся слоев металла и диэлектрика.Впоследствии FIB используется для определения длины каждой канавки. Принимая во внимание обширный набор исследований, уже проведенных с массивами 28,30,31,41 градуированных по длине канавок, мы сосредоточимся на конструкциях с градуированными по ширине и биградиентными конструкциями. Серебро используется в качестве металлического слоя из-за его превосходных плазмонных свойств 42 , а фтористый магний используется в качестве диэлектрика, поскольку его относительно низкий показатель преломления оптимизирует удержание мод в канавке. Тем не менее, как парадигма дизайна, так и методы изготовления могут быть легко применены к другим желаемым сочетаниям материалов.

Рис. 4: Изготовление многослойных массивов MIM.

a Схематическое изображение процесса изготовления. b ПЭМ-изображение симметричной структуры с чередующимися слоями, осажденной напылением, с центральной канавкой шириной 5 нм, показанной на вставке. Слои серебра и фторида магния светло-серые и черные соответственно. c СЭМ-изображение среза в поперечном сечении той же слоистой структуры, отфрезерованное с использованием FIB. Выемки на обеих сторонах устройства образуют границы свободного пространства на обоих концах канавок. ширина центральной канавки 5 нм.Ультратонкие слои, которые стали возможными благодаря технологии тонкопленочного осаждения, обеспечивают чрезвычайно сильное усиление поля внутри канавок. В то время как тонкие пленки имеют присущую шероховатость поверхности, которая увеличивается с общим количеством нанесенного материала, ширина каждого слоя вдоль вертикальной оси остается постоянной, что является определяющим фактором в резонансной моде каждой канавки.

FIB используется для создания гладкой поверхности на передней части образца и фрезерования области свободного пространства позади устройства, в результате чего получается тонкий пакет MIM с желаемой длиной резонатора Фабри-Перо.Для создания биградиентного устройства образец наклоняют при фрезеровании задней грани таким образом, чтобы рез выполнялся под углом, создавая градиент длины канавки. На рис. 4в показан массив биградиентов после фрезерования FIB, где задний срез выполнялся при наклоне предметного столика на 9°. Хотя изображение поперечного сечения устройств не могло быть получено из-за хрупкости образца, угол разреза был подтвержден путем сравнения с моделированием. Пространственные и спектральные характеристики массивов измеряются с помощью гиперспектральной микроскопии дальнего поля с использованием прибора, показанного на рис.5д.

Рис. 5: Оптический отклик градиентных матриц в ближней и дальней зоне.

a , b Экспериментальные и смоделированные 1− R данные поглощения и смоделированные | Е | 2 /| E или | 2 Данные электрического поля для ТМ и ТЕ поляризаций для a массива с градуированной шириной и b массива биградиентов. c Experimental 1− Данные поглощения R в зависимости от положения массива при ТМ-поляризации для массива с градиентом по ширине.Схема иллюстрирует изменение положения на массиве, а красные линии отображают смещение полос поглощения. d Схематическое изображение аппарата гиперспектральной микроскопии

Спектральная характеристика градуированных по ширине и биградиентных массивов

Усредненные спектры поглощения по поверхности прибора показаны на рис. 5 как для градуированного по ширине (рис. 5а), так и для биградиентного ( Рис. 5b) массивы, а также смоделированное поглощение и напряженность электрического поля в ближней зоне внутри канавок.Как экспериментальное, так и смоделированное поглощение, аппроксимированное как 1− R , где R — это отражение от поверхности образца, и напряженность ближнего поля показывают значительное снижение интенсивности при поперечной электрической (TE) поляризации. Причина в том, что ППП возбуждаются только в канавках при поперечной магнитной (ТМ) поляризации 35 , что приводит к локализации в ближнем поле и увеличению поглощения. При ТЕ-поляризованном освещении ни в одном из наборов данных не возбуждаются ППП и не наблюдаются усиленные моды, что иллюстрирует вклад плазмонных резонансов в спектральный отклик.

Спектры поглощения массивов канавок при ТМ-поляризации показывают сильную корреляцию с смоделированным поглощением для обеих конструкций, что подтверждает правильность технологии изготовления. Хотя пики в экспериментальных данных несколько шире, чем в данных моделирования, из-за небольшого размера образца по отношению к полю зрения обычно наблюдается отличная корреляция между местоположениями пиков. Кроме того, в обоих наборах данных можно наблюдать корреляцию между поглощением в дальней зоне и усилением в ближней зоне, что иллюстрирует взаимосвязь между усиленным поглощением и локализацией света внутри наноструктуры.Поскольку ближние поля, усиленные плазмонами, обычно представляют значительный интерес, но измерения ближнего поля могут быть чрезвычайно сложными для выполнения, очень полезна возможность использовать измерения дальнего поля, из которых можно вывести информацию о поведении ближнего поля.

Как и предсказывалось теорией и моделированием, массивы канавок с градиентом по ширине и с большим градиентом демонстрируют радужные ловушки в видимом спектре, при этом спектр с большим градиентом содержит больше пиков, чем спектр с градиентом по ширине.Однако в биградиентном устройстве значительного улучшения силы или однородности усиления поля не наблюдается. Принимая во внимание дополнительную сложность фрезерования FIB устройства с биградиентом, существует естественная привлекательность конструкций с градуировкой по ширине.

Пространственная характеристика градуированных по ширине и биградиентных массивов

На рисунке 5c показана тепловая карта экспериментальной интенсивности поглощения в дальней зоне, аппроксимированная как 1− R , относительно положения на поверхности устройства для градуированного по ширине массива .На этом рисунке показано синее смещение пиков максимального поглощения от длинных к коротким длинам волн при перемещении по массиву от узкой ширины канавки к широкой. Этот сдвиг обусловлен изменением резонансов на отдельных канавках, ширина которых варьируется от 5 до 35 нм. На рис. 3а показано, что резонансная длина волны канавки обратно пропорциональна ширине канавки, так что узкие канавки усиливают более длинные волны, чем их более широкие аналоги, что приводит к синему смещению, показанному на рис. 5с. Хотя степень сдвига варьируется между полосами поглощения, это ожидаемо, поскольку зависимость между резонансной длиной волны и шириной канавки сильно нелинейна.При необходимости этот пространственный сдвиг можно усилить, увеличив расстояние между канавками или увеличив градиент ширины канавки.

Материалы | Бесплатный полнотекстовый | Изготовление высокочастотного объемного акустического резонатора AlGaN с помощью системы реактивного ВЧ-магнетронного совместного распыления

1. Введение

В последние годы системы беспроводной связи были усовершенствованы до 4G и 5G. В то же время к акустическим волновым устройствам, используемым в оборудовании беспроводной связи, предъявляются более высокие требования, такие как частотная характеристика, k t 2 , добротность и FoM [1,2,3].Устройства акустических волн, обычно используемые в беспроводной связи, можно разделить на объемные акустические волны (ОАВ) и поверхностные акустические волны (ПАВ). Устройство объемной акустической волны имеет более низкие вносимые потери, более высокую частоту и более широкую полосу частот [4,5,6,7,8]; поэтому он подходит для высокочастотных систем беспроводной связи. Резонатор BAW имеет два типа конструкции: один представляет собой объемный пленочный акустический резонатор (FBAR), а другой представляет собой твердо установленный резонатор (SMR). Структура SMR не требует процесса травления, как структура FBAR; следовательно, он относительно стабилен, и производительность устройства может быть улучшена [8,9,10,11,12,13].С другой стороны, обычно используемыми пьезоэлектрическими материалами в акустических волновых устройствах являются нитрид алюминия (AlN) и оксид цинка (ZnO) [14,15,16,17]. В последние годы в некоторой литературе изучалось применение AlGaN и AlScN в устройствах акустических волн [18,19]. Как вюртцит AlN, так и GaN имеют полярность, ориентированную по оси с, и схожие пьезоэлектрические характеристики [20]. Следовательно, GaN и AlGaN также подходят для применения в акустических волновых устройствах. Чтобы получить GaN и AlGaN высокого качества, часто требуются высокотемпературные процессы [21,22,23].В 2016 году Дж. Б. Шили и соавт. успешно изготовлены тонкопленочные объемные акустические резонаторы (FBAR) с тонкими монокристаллическими пленками AlGaN, приготовленными методом металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) [18]. С другой стороны, напыление имеет множество преимуществ, таких как низкотемпературный рост, улучшенное качество пленки с меньшим размером зерна, шероховатость поверхности и т. д. В 2021 г. Н.А. Отман и др. наносил тонкие пленки AlGaN на подложки из кремния методом совместного распыления. Обсуждаются структуры и морфологические характеристики пленок AlGaN [24].В этом исследовании пьезоэлектрические тонкие пленки AlGaN были осаждены с помощью системы реактивного РЧ-магнетронного совместного распыления при комнатной температуре для изготовления твердо установленных резонаторов (SMR) с центральной частотой около 3,5 ГГц.

2. Материалы и методы

Структура устройства SMR, состоящего из брэгговского отражателя на кремниевой подложке, нижнего электрода, пьезоэлектрического слоя и верхнего электрода, показана на рисунке 1. Брэгговский отражатель состоит из 3 пары пленок Mo и SiO 2 в виде слоев с высоким и низким акустическим импедансом, которые были нанесены с использованием системы распыления постоянным током (DC) и системы реактивного ВЧ-магнетронного распыления соответственно.Толщины пленок Mo и SiO 2 были рассчитаны как 437 нм и 361 нм, чтобы соответствовать желаемой частотной характеристике 3,5 ГГц устройств SMR, с помощью теоретической формулы v = f × 4d, в которой v и 4d были скорость и толщина индивидуальной пленки Mo или SiO 2 соответственно, f — центральная частота резонанса. Тонкие пленки Pt/Ti (100 нм/12 нм) в качестве нижнего и верхнего электродов были нанесены на брэгговский отражатель и пьезоэлектрический слой с помощью системы напыления постоянным током.Тонкая пьезоэлектрическая пленка AlGaN была нанесена с помощью системы реактивного ВЧ-магнетронного совместного распыления. В качестве исходных мишеней использовались 2-дюймовый металлический Al (чистота 99,999%) и 2-дюймовый легированный GaN (чистота 99,999%). Источники питания для высокочастотного распыления применялись к мишеням из Al и GaN по отдельности, а давление распыления варьировалось от 10 мТорр до 30 мТорр с отношением расхода газа (N 2 /N 2 + Ar) 60%, чтобы напыление Тонкие пленки AlGaN при комнатной температуре. Преимущественная ориентация и кристаллические характеристики пленок AlGaN были проанализированы с помощью рентгеновской дифракции (XRD, Bruker D8 Advance) с CuKα-излучением.Морфологию поверхности и изображения поперечного сечения пленок AlGaN анализировали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, JEOL JSM-6700F). Элементный анализ пленки AlGaN был проведен методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС, JEOL JSM-6700F). Частотная характеристика устройства SMR измерялась анализатором цепей E5071C и высокочастотной зондовой станцией CASCADE.

3. Результаты и обсуждение

При исследовании тонких пленок AlGaN варьировались параметры осаждения: мощность распыления, давление распыления и коэффициент расхода газа (N 2 /N 2 + Ar).Предварительные результаты показали, что пленки обладают лучшими характеристиками, поскольку мощность распыления составляет 175 Вт для мишени из алюминия и 25 Вт для мишени из GaN соответственно, а коэффициент расхода газа (N 2 /N 2 + Ar) составляет 60 % при комнатная температура. Это исследование было сосредоточено на влиянии давления распыления на характеристики тонких пленок AlGaN. Давление распыления варьировалось от 10 до 30 мТорр, обсуждались кристаллические структуры, морфология поверхности и изображения поперечных сечений тонких пленок AlGaN.

Рентгенограммы полученных пленок AlGaN, осажденных при различных давлениях распыления, показаны на рис. 2. Можно видеть, что пленки AlGaN демонстрируют ориентацию по оси с (002) при давлениях распыления 10 мТорр и 20 мТорр. Однако при дальнейшем увеличении давления интенсивность пика (002) пленки AlGaN становится слабее и даже отсутствует в ориентации оси с. Это явление сходно с тем, о котором сообщают Н.А. Отман и соавт. [24]; то есть качество кристаллов пленки AlGaN снижается по мере увеличения потока N 2 .Согласно литературным данным, дифракционный пик AlN (002) составляет около 2θ = 36° [17], а для пленки AlGaN, осажденной при давлении распыления 10 мТорр, — около 2θ = 35,55°. Существует сдвиг на 0,45° для дифракционного пика (002) между пленками AlGaN и AlN. Причина в том, что при легировании галлия в AlN часть более крупных атомов Ga замещает атомы Al в решетке, что приводит к изменению структуры решетки и сдвигу дифракционного пика [19,25]. Это явление аналогично легированию атомов Sc в AlN с образованием пленок ScAlN [26].Морфология поверхности и изображения поперечного сечения тонких пленок AlGaN, осажденных при различных давлениях распыления, были проанализированы с помощью СЭМ, как показано на рис. 3. Все пленки имеют однородную морфологию поверхности, напоминающую гальку. Однако из изображений поперечного сечения видно, что при увеличении давления напыления толщина пленки AlGaN уменьшается с 1160 нм до 432 нм при времени осаждения 3 ч, и маловероятно, что пленка будет осаждена, и нет столбчатой ​​структуры. По мере увеличения давления структура пленки AlGaN постепенно меняется от исходной галечной структуры и столбчатой ​​структуры к агломерированной структуре.Общие характеристики кристалла также сильно ухудшаются, что окажет большое влияние на изготовление устройств SMR и может привести к тому, что устройства SMR не будут иметь частотную характеристику. Для получения резонатора SMR с частотой 3,5 ГГц три пары пленок Mo и SiO 2 были нанесены на подложку Si в качестве брэгговского отражателя, на котором нижний электрод (Pt/Ti), пьезоэлектрический слой AlGaN и верхний электрод (Pt /Ti) были нанесены последовательно. Изображение поперечного сечения SMR-устройства на основе AlGaN показано на рисунке 4.Границы раздела между электродными слоями, пьезоэлектрическими слоями и слоями брэгговского отражателя гладкие, однородные и хорошо видны в изготовленном устройстве SMR. Полученная пьезоэлектрическая пленка AlGaN имеет столбчатую структуру и ориентацию оси с. Толщина пленки AlGaN была отрегулирована на уровне около 770 нм, контролируя время осаждения, чтобы соответствовать желаемой резонансной частоте, в соответствии с теоретическим расчетом v = f × 2d, где v — скорость волны пленки AlGaN, f — скорость волны. центральная частота, а 2d — толщина пленки AlGaN.Кроме того, элементный анализ методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) показал, что содержание Al и Ga в пленке AlGaN составляет 81 % и 19 % соответственно. Пленка AlGaN толщиной 770 нм в качестве пьезоэлектрического слоя показана на рисунке 5. Результаты показывают, что резонансная частота и обратные потери устройства SMR составляют 3,6 ГГц и -8,62 дБ соответственно. Q и FoM устройства SMR можно проанализировать с помощью сетевого анализатора, которые рассчитываются следующим образом [1,2,3]:

kt2=∅tan∅=(π2)(fsfp)tan((π2)(fsfp))≅(π2)2(fp−fsfp)

(1)

Q=2πf×τ(f)×mag(s11)1−mag(s11)2

(2)

FoM=Q(устройство)×kt2(устройство)

(3)

Среди них f s — частота последовательного резонанса, f p — частота параллельного резонанса, τ(f) — временная задержка анализатора цепей, а mag(s 11 ) — обратные потери (с 11 ) значение.Приведенные рабочие параметры устройства SMR в этой работе показали, что k t 2 составляет 2,33%, значение Q составляет 96,93, а FoM составляет 2,26 соответственно. При сравнении значения обратных потерь k t 2 , Q и FoM хуже, чем полученные в устройстве с использованием монокристаллической пленки AlGaN в качестве пьезоэлектрического слоя, осажденного методом MOCVD [19]. Причина может заключаться в том, что чем выше резонансная частота акустического волнового устройства, тем тоньше требуется пьезоэлектрический слой, что может привести к плохим кристаллическим характеристикам пьезоэлектрического слоя [8].Производительность устройства SMR может быть улучшена за счет процесса термического отжига пьезоэлектрического слоя и точного контроля толщины отражающих слоев в брэгговском отражателе [8].

4. Выводы

В этом исследовании брэгговский отражатель, состоящий из трех пар пленок Mo и SiO 2 , был сначала изготовлен на подложке Si, затем тонкая пленка AlGaN была успешно нанесена на брэгговский отражатель с помощью реактивного Система ВЧ-магнетронного распыления при комнатной температуре.При мощности распыления 175 Вт для мишени Al, мощности распыления 25 Вт для мишени GaN, коэффициенте расхода N 2 60% и давлении распыления 10 мТорр оптимизированная пленка AlGaN с гладкой поверхностью, однородная кристаллические зерна, и была получена сильная кристаллизация, ориентированная по оси с. Содержание Al и Ga в пленке AlGaN составляло 81% и 19% соответственно.

Успешно изготовлено устройство SMR на основе AlGaN с хорошими характеристиками. Частотная характеристика (s 11 ) устройства SMR показала, что резонансная частота равна 3.60 ГГц обратные потери составили около −8,62 дБ, k t 2 — 2,33 %, значение Q — 96,93, а значение FoM — 2,26 соответственно.

Ультраэффективное термоакустическое преобразование через резонатор с разъемным кольцом

1.

Введение

Фотоакустический (РА) эффект, о котором впервые сообщил Белл в 1880 году, когда он изобрел фотофон, 1 описывает генерацию звуковых волн за счет поглощения импульсного света материалом.Почти столетие спустя Боуэн предусмотрел использование этого явления для визуализации при возбуждении ионизирующим излучением (например, рентгеновскими лучами) или неионизирующим излучением (например, радиоволнами и микроволнами). 2 Благодаря достижениям в области лазеров, приборов и алгоритмов визуализация PA стала многомасштабным инструментом визуализации от микроскопических до макроскопических областей. 3 5 Помимо многочисленных приложений визуализации, эффект PA недавно использовался в качестве универсального источника ультразвука для ультразвуковой (УЗИ) визуализации, 6 локализации тканей, 7 абляции, 8 и нейромодуляции. . 9 Тем не менее, предел рассеяния фотонов в ткани принципиально препятствует применению PA на глубине более 7 см, при которой фотоны практически не уменьшаются из-за сильного рассеяния ткани. 10 Даже при ближнем инфракрасном свете, который имеет меньший эффект рассеяния и плотность потока энергии высокой энергии ∼60  мДж/см2, 11 PA визуализация едва достигает глубины от 5 до 7 см. Активная модуляция PA на таких глубинах является еще более сложной задачей.

По сравнению со светом с субмикрометровой длиной волны микроволны на частотах ГГц имеют сантиметровую длину волны и, таким образом, страдают от гораздо более слабого рассеяния в тканях, что обеспечивает более глубокое проникновение для визуализации и модуляции тканей.Глубокие ткани и транскраниальные изображения были получены с помощью микроволновой томографии 12 и термоакустической (ТА) визуализации. 13 Однако поглощение микроволн тканью очень низкое по сравнению с фоновым поглощением воды, что приводит к тусклому контрасту изображения. 12 Были предприняты многочисленные попытки разработать экзогенные контрастные вещества с улучшенным поглощением микроволн, 14 16 , однако такое улучшение ограничено 1-2-кратным увеличением. 16 Учитывая низкое поглощение как эндогенными, так и экзогенными агентами, использование микроволн для применения в глубоких тканях (т. е. локализация опухоли и модуляция ткани) ограничено.

Кроме того, современные американские излучатели, будь то пьезоэлектрические (PZT) преобразователи или излучатели PA, после изготовления имеют фиксированную акустическую частоту и полосу пропускания. Эта неспособность настроить частоту излучения сильно мешает исследователям полностью понять частотную характеристику клеток и тканей при биомодуляции, опосредованной УЗИ, такой как нейронная модуляция 17 , 18 и сонопорация, 19 для доставки лекарств и перенос ген.Например, для нейронной модуляции использовались ультразвуковые датчики различных частот в диапазоне от 200 кГц до 32 МГц 17 , 18 . Тем не менее, до сих пор были протестированы только датчики выбранных частот, 20 , что ограничивает механистическое исследование УЗ-модуляции нейронов.

Здесь мы сообщаем о подходе резонансной антенны, который концентрирует микроволновую энергию в субмиллиметровом объеме для высокоэффективной генерации ТА с настраиваемой частотой US. Благодаря преобразованию энергии свободно распространяющегося излучения в локализованную энергию или наоборот, антенны широко использовались в радиоволновых и микроволновых приложениях, а затем были расширены в области оптики с приложениями, охватывающими фотодетектирование, 21 световое излучение, 22 фотогальваника, 23 и спектроскопия. 24 , 25 Используя сильное ограничение локального поля, обеспечиваемое резонатором с разъемными кольцами (SRR) — строительным блоком микроволновых метаматериалов, 26 , 27 , мы демонстрируем преобразование микроволновой энергии в УЗ. волны с беспрецедентной эффективностью преобразования, которая на три порядка выше, чем у известных контрастных агентов ТА. 15 , 16 При пиковой мощности всего 100 Вт, что на три порядка ниже, чем мощность, используемая для визуализации TA, 28 наш SRR генерирует сильный УЗ с отношением сигнал/шум, близким к 40 дБ. отношение (SNR) без усреднения.Что еще более важно, используя модуляцию импульсной волны (ШИМ) на входных микроволновых импульсах, SRR представляет собой единый универсальный акустический излучатель с точно контролируемой частотой ультразвукового излучения. Используя последовательность микроволновых импульсов с тональной вспышкой с заданным интервалом T, получается одночастотное акустическое излучение с частотой 1/T. В экспериментах демонстрируются одночастотные акустические излучения в диапазоне от 0,55 до 2,5 МГц с узкой полосой пропускания всего 0,11 МГц.Кроме того, показано частотно-мультиплексированное излучение двух частот на 0,63 и 1,67 МГц, а также продемонстрировано временное мультиплексирование двух ультразвуковых частот на 0,55 и 1,30 МГц в указанной последовательности. Эта универсальная акустическая эмиссия находится за пределами досягаемости обычных ультразвуковых источников. В совокупности сообщаемый микроволново-резонансный американский излучатель обещает широкое применение в глубокой локализации тканей и биомодуляции беспроводным способом и без батареек.

2.

Материалы и методы

2.1.

Численное моделирование резонансной частоты SRR

Моделирование выполнялось с помощью COMSOL Multiphysics 5.3a. Во всех моделях диэлектрическая проницаемость масла канолы была установлена ​​равной 2,4, если не указано иное. Волна возбуждения была обеспечена с помощью порта с входом плоской волны, которая имеет поляризацию E в направлении y и поляризованную H в направлении z. Магнитное поле поляризовано перпендикулярно плоскости SRR (плоскость x-y). Условия рассеяния использовались на границах моделируемой области.

2.2.

Измерение акустического сигнала, генерируемого SRR

Мы поместили обработанное медное кольцо в пластиковый бак, наполненный маслом канолы. Генератор микроволновых сигналов (от 9 кГц до 3 ГГц, SMB100A, Rohde & Schwarz) использовался для генерации исходных микроволн, а для усиления генерируемых микроволн был подключен твердотельный усилитель мощности (ZHL-100W-242+, Mini Circuits). до 100 Вт пиковой мощности. Далее усиленные микроволны подавались по волноводу (WR430, Pasternack) в маслобак.Расстояние от СРР до волновода составляло около 2 см. Для акустической генерации СВЧ-источник работал в импульсном режиме, длительность импульса составляла 1  мкс при частоте повторения 1 кГц, если не указано иное. Для регистрации генерируемого акустического сигнала использовали одноэлементный ультразвуковой преобразователь (УЗИ) (SV301, Olympus) с центральной частотой 0,5 МГц. Расстояние между датчиком и SRR составляло ∼52  мм. Принятый акустический сигнал сначала усиливался генератором/приемником (5072PR, Olympus) в режиме приема с коэффициентом усиления 59 дБ и фильтром от 0 до 10 МГц.Наконец, обнаруженный ультразвуковой сигнал считывался с помощью осциллографа (DS4024, Rigol). Для подтверждения эффекта резонанса частота микроволнового возбуждения сканировалась от 2 до 2,5 ГГц.

2.3.

Сравнение акустического сигнала, генерируемого SRR и многослойными углеродными нанотрубками, термоакустическим контрастным веществом

Деионизированная (DI) вода или многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) были смешаны с физиологическим раствором в тонкой полиуретановой трубке в соответствии с протоколом, приведенным в Ref .20. Длина полиуретановой трубки была рассчитана на 39 мм, чтобы соответствовать периметру SRR. Акустические сигналы от трубок и SRR регистрировались по отдельности одним и тем же преобразователем с частотой 0,5 МГц, расположенным на расстоянии 52 мм, как описано выше. Из-за низких и зашумленных сигналов от ламп с пиковой мощностью низкого возбуждения 100 Вт их сигналы были усреднены 8192 раза и сглажены в постобработке для получения сигналов хорошего SNR, в то время как сигнал от SRR был усреднен только 2 раза.

2.4.

Тепловидение

Чтобы визуализировать изменение температуры кольца при освещении микроволнами, мы установили кольцо на тонкую пластиковую пленку, перевернули пленку и поместили ее на небольшой масляный контейнер. При этом кольцо было неглубоко погружено в масло, и тепловизионная камера улавливала излучаемый кольцом средний инфракрасный свет. Тепловизионная камера (A325sc, FLIR) была установлена ​​выше и смотрела вниз на кольцо, плавающее в масляном контейнере. Микроволновый источник работал в непрерывном режиме и включался на 250 мс для тепловизионного эксперимента.Тепловая камера фиксирует процесс нагрева и расслабления с частотой кадров 30 Гц в течение 20 с. Позже в тепловизионных экспериментах здесь использовался широкополосный усилитель мощности (от 0,7 до 2,7 ГГц, ZHL-100W-272+, Mini Circuits).

2.5.

Термоакустическая визуализация

Мы построили систему визуализации ТА, заменив одноэлементный преобразователь массивом преобразователей (L7-4, ATL) и 128-канальной системой сбора данных УЗИ (Vantage 128, Verasonics). Функциональный генератор и генератор задержки (9254, Quantum Composers) работали вместе, чтобы синхронизировать модули микроволнового возбуждения и ультразвукового обнаружения.Функциональный генератор выдает импульс с частотой повторения 20 Гц на генератор микроволнового сигнала. Генератор задержки получил этот основной триггер и добавил управляемую задержку td для запуска сбора данных США. Задержку можно настроить таким образом, чтобы акустическое поле в разные моменты времени после УЗ-волны генерировалось в кольцевом зазоре. Обратите внимание, что это эквивалентно использованию метода формирования луча для постобработки необработанных данных США. Изображения ТА усреднялись 200 или 800 раз для получения изображений с хорошим SNR.

2.6.

Акустическая эмиссия, мультиплексированная по произвольной частоте, с помощью импульсно-волновой модуляции

Для демонстрации акустической эмиссии на любой перестраиваемой частоте с помощью SRR был использован функциональный генератор (Agilent 33220A), работающий в режиме тоновых импульсов заданной частоты с периодом 1 мс. применяется на генераторе СВЧ сигналов. Преобразователь с центральной частотой 5 МГц использовался для измерения генерируемого сигнала ТА, а полученный сигнал усреднялся 64 раза. Затем два выходных канала из четырехканального генератора импульсов (9200, Quantum Composers) использовались для достижения частотного мультиплексирования ШИМ при микроволновом возбуждении в экспериментах.Позже генератор импульсов управлял двумя функциональными генераторами для генерации двух тональных пакетов с заданными частотами в желаемой последовательности и с задержкой для создания ШИМ с временным мультиплексированием для экспериментов. В экспериментах частотно-временной мультиплексной акустической эмиссии измеряемые сигналы ТА усреднялись 4 раза.

2.7.

Демонстрация беспроводного ультразвукового излучателя без батареи

В качестве демонстрации концепции мы поместили кольцо в небольшой масляный пакет и поместили его под фантом для биопсии молочной железы (BPB170, CAE Healthcare), чтобы действовать как беспроводной американский излучатель без батареи, МГц.Тот же одноэлементный преобразователь (SV301, Olympus) помещали на верхнюю часть фантома молочной железы для регистрации генерируемого акустического сигнала. Микроволновый волновод располагался на разных расстояниях от фантома молочной железы для измерения зависимости сигнала от расстояния. Кроме того, между волноводом и фантомом груди помещали картонную коробку и коробку с перчатками, чтобы продемонстрировать, что генерация США микроволнами устойчива к препятствиям и рассеянию.

3.

Результаты

3.1.

Высокоэффективное преобразование микроволн в ультразвук с помощью резонатора с разъемным кольцом

Подобно эффекту PA, сигнал TA, генерируемый электромагнитным (ЭМ) поглотителем, пропорционален поглощенной энергии и его параметру Грюнайзена, принимая во внимание тепловую и стрессовые ограничения удовлетворены. 29 ЭМ энергия Qab, поглощаемая объемом ткани, зависит от ЭМ свойств ткани и описывается соотношением сохранения энергии Пойнтинга: 30

Ур.(1)

Qab=∫Vωµ0µr″H·H*dV+∫Vωε0εr″E·E*dV+∫VσcE·E*dV, где объем ткани V имеет комплексную диэлектрическую проницаемость ε=ε0(εr′−jεr″), комплекс проницаемость µ=µ0(µr′−jµr″) и ионная проводимость σc. Нижний индекс 0 отмечает значения параметров вакуума, а нижний индекс r обозначает значения параметров относительно вакуума. E — электрическое поле (В/м), H — магнитное поле (А/м), ω — частота электромагнитной волны. Эти три члена в правой части уравнения. (1) — мощность, поглощаемая из-за магнитных потерь, диэлектрических поляризационных потерь и джоулевого нагрева соответственно.Ясно видно, что поглощаемая мощность будет значительно увеличена, если можно увеличить локальные E и H.

Поэтому мы попытались использовать резонансную СВЧ-антенну для создания локальной горячей точки электрического поля для усиления акустической генерации с помощью короткого СВЧ-импульса возбуждения за счет эффекта ТА. Обратите внимание, что мы сосредоточились на использовании локальной горячей точки электрического поля в качестве первой демонстрации, и конструкции антенн с локальной горячей точкой магнитного поля и соответствующими поглощающими материалами могут быть использованы аналогичным образом.Сначала мы экспериментально исследовали генерацию УЗ от графитового стержня различной длины, помещенного в масло, при импульсе возбуждения микроволнового излучения длительностью 1,0 мкс и пиковой мощности всего 100 Вт на частоте 2,2 ГГц [Рис. S1(a) и S1(b) в дополнительных материалах]. Примечательно, что сигнал резко усиливается, когда стержень имеет определенную длину ~39  мм, с пиком интенсивности на частоте 2,2 ГГц, что соответствует длине волны микроволн ~78  мм в масле [рис. S1(c) и S1(d) в дополнительных материалах]. Это наблюдение предполагает, что такой графитовый стержень действует как дипольная антенна λ / 2, которая концентрирует поле E на своих концах, показывая, что резонанс может значительно улучшить эффективность преобразования микроволн в волны США.

Чтобы реализовать высокоэффективное преобразование микроволн в УЗ с субмиллиметровой пространственной точностью, мы выбрали один SRR — структурную единицу для микроволновых метаматериалов. Одиночное разрезное кольцо представляет собой металлическое кольцо с небольшим разрезом, помещенным в среду. Вставка на рис. 1 (а) представляет собой фотографию используемого кольца. В целом SRR можно смоделировать как LC-резонансный контур: индуктор L, образованный металлическим кольцом, и конденсатор C, образованный разделенным зазором, а также некоторой поверхностной емкостью. 31 Когда SRR резонирует с микроволновым возбуждением, внутри конденсатора возникает сильное электрическое поле, т.е.е., кольцевая щель и горячая точка впоследствии образуются, если есть поглощение микроволн соседней средой. После подачи короткого импульса микроволнового возбуждения продолжительностью от наносекунды до микросекунды локализованная горячая точка вызывает кратковременное локальное объемное расширение, что приводит к генерации ультразвуковой волны.

Рис. 1

Сверхэффективное преобразование микроволн в ультразвуковые за счет эффекта резонанса в SRR. (а) С помощью короткого микроволнового импульса возбуждения своей резонансной частоты SRR удерживает сильное электрическое поле в своем зазоре и впоследствии создает переходную тепловую горячую точку при любом поглощении соседней средой, которая создает ультразвук посредством эффекта ТА.На вставке показан SRR из меди, используемый в масле. (b) Смоделированная напряженность электрического поля SRR, используемого в масле при резонансе. (c) Смоделированная напряженность электрического поля в зазоре (синяя пунктирная линия) и значения pk2pk акустического сигнала, измеренные в экспериментах (красная квадратная линия) на разных частотах возбуждения. (d) Нормализованные спектры сигнала ТА SRR, изогнутого из медной проволоки диаметром 0,2 мм, длиной 39 (красные точки), 41 (зеленая звезда) и 43 мм (синий квадрат). Сплошные линии показывают их аппроксимацию по Гауссу.(e) Сравнение медного SRR (красный) и двух тонких трубок, заполненных раствором МУНТ плюс физиологический раствор (зеленый) и деионизированной водой (синий). Сигналы от ламп масштабируются в 2000 раз, тогда как медный сигнал SRR не масштабируется.

Первый протестированный SRR представляет собой обработанное медное кольцо, помещенное в масло. Он имеет диаметр 12,7 мм, ширину проволоки 0,8 мм, зазор 0,4 мм и толщину 0,2 мм. В качестве среды выбрано масло, так как оно имеет небольшое, но ненулевое микроволновое поглощение и высокий коэффициент теплового расширения.С помощью моделирования COMSOL Multiphysics без учета поглощения было обнаружено, что SRR резонирует на частоте 2,27 ГГц. Смоделированная карта интенсивности поля E в логарифмическом масштабе на SRR в резонансе ясно показывает локальную горячую точку в кольцевой щели [рис. 1(б)]. При сравнении измеренных значений размаха (pk2pk) нормированных спектров акустического сигнала с смоделированной напряженностью поля E от щели [Рис. 1(c)], видно, что резонансный пик акустического измерения соответствует результату моделирования, тогда как акустическое измерение показывает более широкую ширину на полувысоте (FWHM) равной 0.16 ГГц, чем 0,07 ГГц при моделировании. Понятно, что эффект поглощения генерирует тепло, а акустическая волна уширяет резонансный пик, как сообщали другие. 32 Для дальнейшего подтверждения эффекта резонанса мы согнули медную проволоку диаметром 0,2 мм с различной длиной 39, 41 и 43 мм в разрезное кольцо с сопоставимыми размерами зазора. При большей длине медного провода, согнутого в кольцо, индуктивность SRR увеличивается, что приводит к более низкой резонансной частоте. Наши экспериментальные наблюдения согласуются с тем, что резонансная частота смещается в красную сторону при увеличении периметра кольца (рис.1(г)].

Затем мы сравнили сигнал УЗИ, генерируемый медным SRR, с сигналом деионизированной воды или МУНТ, смешанных с физиологическим раствором в тонкой полиуретановой трубке. Длина трубки была рассчитана на 39 мм, чтобы соответствовать окружности SRR. Акустические сигналы от трубок и СРР регистрировались в тех же условиях эксперимента. Из-за низких и зашумленных сигналов от ламп с пиковой мощностью низкого возбуждения 100 Вт сигналы усреднялись 8192 раза и сглаживались при постобработке для получения хорошего SNR, тогда как сигнал от SRR усреднялся только 2 раза и имел ОСШ около 160.Для четкого прямого сравнения мы масштабировали сигнал от обеих трубок в 2000 раз и наносили их на график с немасштабированным сигналом SRR на его резонансной частоте (рис. 1(д)]. Было замечено, что акустический сигнал, генерируемый SRR меди, более чем на три порядка выше, чем у MWCNT, обычно используемого контрастного агента для визуализации TA. 15 , 16 В совокупности эти данные показывают, что резонанс в SRR чрезвычайно повышает эффективность преобразования микроволн в волны США.

3.2.

Микроволново-тепловой резонанс в SRR подтверждается тепловизионным изображением

Чтобы подтвердить тепловое пятно, генерируемое в кольцевом зазоре, мы выполнили тепловое изображение SRR с микроволновым возбуждением. Во-первых, мы поместили SRR на термобумагу (Brother LB3635), которая постоянно темнеет при температуре около 85, чтобы качественно визуализировать термогорячий элемент, когда SRR был помещен в объемную масляную среду с микроволновым возбуждением [рис. 2(а) и 2(б)]. Микроволновый источник работал в непрерывном режиме и включался на период ∼250 мс, а темные пятна образовывались только на кольцевом промежутке (рис.2(с)]. Самое большое темное пятно было сформировано с частотой 2,27 ГГц, что согласуется с резонансной частотой, измеренной с помощью акустического обнаружения на рис. 1 (c). Этот результат качественно подтверждает микроволново-тепловой резонанс и очаговую генерацию в кольцевом промежутке СРР.

Рис. 2

Тепловизионное изображение очага в СРР с непрерывным микроволновым возбуждением на резонансных, ближних и внерезонансных частотах. (а) Визуализируйте эффект микроволнового теплового резонанса с помощью SRR с термобумагой внутри объемной масляной среды.(б) Фотография SRR, закрепленная на термобумаге. (c) Темные пятна, отпечатанные на термобумаге с разными частотами возбуждения микроволн. (d)–(f) Тепловые изображения SRR на границе масло-воздух до возбуждения микроволнами на частотах 2,49 ГГц (на резонансе), 2,35 ГГц (почти резонанс) и 2,00 ГГц (нерезонанс) соответственно. (g)–(i) Тепловые изображения после 250-мс микроволнового возбуждения в сценариях (d)–(f). (j) График временной температуры на разрыве SRR в сценариях на резонанс, около и вне резонанса.На вставке показана установка тепловизионного измерения. Масштабная линейка: 5 мм.

Чтобы количественно визуализировать изменение температуры SRR при микроволновом освещении, мы установили SRR на тонкую пластиковую пленку, перевернули пленку и поместили ее на небольшой масляный контейнер. При этом кольцо было неглубоко погружено в масло, а средний инфракрасный свет, излучаемый SRR, был захвачен тепловизионной камерой. Обратите внимание, что эта граница раздела масло-воздух смещает резонанс SRR на более высокую частоту, 2.49 ГГц по сравнению с таковым в случае объемной масляной среды, что было подтверждено нашим численным моделированием (рис. S3 в дополнительных материалах). Микроволновый источник работал в непрерывном режиме и включался на период ~250 мс. Тепловая камера фиксирует процесс нагрева и расслабления с частотой кадров 30 Гц в течение 20 с. Эксперименты проводились с разными микроволновыми частотами: 2,00 ГГц (нерезонансная), 2,35 ГГц (почти резонансная) и 2,49 ГГц (резонансная).

Перед микроволновым нагревом в момент времени 0 не появлялись горячие точки или контраст.0 с [Рис. 2(г)–2(е)]. После включения возбуждения на 250 мс в кольцевом промежутке наблюдался горячий пар, когда микроволновая частота совпадала с резонансной частотой СРР в момент времени 0,4 с (рис. 2(ж)], а на щели с СВЧ-возбуждением 2,0 ГГц проявился очень слабый контраст (рис. 2(h) и 2(i)]. Процесс динамического нагрева можно посмотреть в видео S1–S3; см. Приложение. На рисунке 2(j) показан временной профиль температуры внутри промежутка на всех частотах возбуждения. Это показывает, что повышение температуры на 69.4 К наблюдалось в течение 250 мс при времени нагрева кольцевого зазора, когда оно находилось в резонансе, тогда как повышение температуры составляло <0,3  К, когда кольцо находилось вне резонанса. Примечательно, что если предположить линейный процесс нагрева внутри промежутка, повышение температуры оценивается в <0,3     мК с учетом микроволнового возбуждения 1,0 мкс для генерации УЗ за счет эффекта ТА.

3.3.

Визуализация генерации акустических волн от SRR

Мы сконструировали систему визуализации ТА для визуальной проверки генерации УЗ от кольцевого зазора.Для экспериментов здесь была построена система визуализации ТА со 128-канальной матрицей преобразователей (L7-4, ATL). Чтобы согласовать полосу частот массива преобразователей, которая составляет от 4 до 7 МГц, мы использовали микроволновый импульс возбуждения длительностью 0,1 мкс на частоте 2,33 ГГц. При этом было получено изображение ТА в поперечном сечении (параллельное плоскости x-y), затем мы переместили массив датчиков, чтобы получить изображения стека по оси z, чтобы получить трехмерный профиль акустической эмиссии от SRR. SRR помещался в масляную среду в двух конфигурациях с магнитным полем H, всегда перпендикулярным плоскости кольца: одна для измерения акустической эмиссии над плоскостью кольца [рис.3(a)–3(g)], а другой – измерить его в плоскости кольца [рис. 3(з)–3(к)]. Также мы отрегулировали задержку между импульсом возбуждения и обнаружением УЗИ, чтобы зафиксировать динамику акустического поля, распространяющегося из кольцевого зазора.

Рис. 3

ТА визуализация генерации ультразвуковых волн от SRR. (a)–(c) US, TA и объединенные изображения SRR в масле, когда массив UST был помещен над SRR (конфигурация 1), как показано на верхнем левом изображении. (d) ТА-изображения в поперечном сечении прямо над кольцевым зазором в конфигурации 1.(e)–(g) объединенные изображения УЗИ и ТА в трехмерном представлении с задержкой 0, 4 и 8   мкс между обнаружением УЗИ и микроволновым возбуждением. (h) Американские изображения SRR в конфигурации 2, как показано на нижнем левом изображении. (i) соответствующее изображение TA; (j) объединенное изображение (h) и (i). Масштабная линейка: 5 мм.

На рис. 3(а) показано УЗ-изображение SRR в плоскости x−z, которое было закреплено на тонкой узкой пластиковой полоске, проходящей через ее центр в масле. Соответствующее изображение ТА в плоскости x-y при задержке времени 0 показано на рис.3(б). При объединении с изображением США [Рис. 3(c)], было подтверждено, что источником акустической генерации является кольцевая щель. На рис. 3(d) показано поперечное сечение изображения ТА прямо над разрывом SRR. При построении профилей линий через центр зазора были измерены полуширины 0,80 и 0,49 мм в боковом и осевом направлениях соответственно. Эти размеры близки к размеру зазора (латеральный: 0,4 мм и осевой: 0,3 мм), учитывая низкое пространственное разрешение используемой матрицы низкочастотных преобразователей.Настраивая задержку детектирования УЗ относительно импульса СВЧ возбуждения, визуализировали процесс распространения акустических волн. На рисунках 3(e)–3(g) показан сигнал ТА в 3D при временной задержке 0, 4 и 8   мкс соответственно. Видео S4 и S5 (ссылки в Приложении) показывают динамический процесс генерации звука из кольцевого зазора. Затем была измерена акустическая эмиссия в плоскости кольца путем переориентации кольца, как показано в левом нижнем углу рис. 3. Путем слияния УЗ [рис. 3(h)] и ТА [фиг. 3(i)] сигналы ТА обнаружены также из щели (рис.3(к)], что свидетельствует о наличии акустической эмиссии в плоскости кольца. Кроме того, на рис. 3(i) показаны две небольшие горячие точки на ТА-изображении, которые соответствуют двум плоским концам зазора и согласуются с моделированием на рис. 1(b). Мы также сориентировали ультразвуковой зонд под косым углом к ​​плоскости кольца и получили сигналы ТА от 0 до 60 градусов, кроме 20 градусов (рис. S4 в дополнительных материалах). В совокупности эти данные обеспечивают прямое свидетельство генерации акустических волн двумя соседними горячими точками в промежутке SRR после импульсного микроволнового возбуждения.

3.4.

Мультиплексированная акустическая эмиссия произвольной частоты с помощью импульсно-волновой модуляции

Хотя использование микроволновых импульсов возбуждения различной длительности может изменить интенсивность сигнала ТА и временной профиль 33 (рис. S5–S7 в дополнительных материалах), мы используем ШИМ в микроволновая электроника для точного контроля частоты излучаемых УЗ. В качестве возбуждения мы использовали последовательность микроволновых импульсов. Как показано на рис. 4(a), для модуляции 2 применялась последовательность импульсов из N=10 циклов с частотой тона 1/T (T — межимпульсный интервал) с коэффициентом заполнения 50 %.Микроволны 27 ГГц. Каждый импульс возбуждает ТА-волну. Таким образом, N=10 импульсов индуцировали одинаковое количество ТА-волн, разделенных во времени с одинаковым интервалом, производя акустическую эмиссию на заданной частоте тона 1/T. Мы использовали преобразователь PZT с центральной частотой 5 МГц для обнаружения генерируемого акустического сигнала и регистрировали акустический сигнал с межимпульсным интервалом сканирования T от 0,4 до 1,5   мкс. В левом столбце рис. 4(b) показаны репрезентативные измеренные акустические сигналы с выбранным значением T, равным 0,4, 1.0 и 1,2  мкс. Десять небольших биполярных акустических сигналов были четко разрешены в разные периоды, указывая на разные акустические частоты. После преобразования Фурье их радиочастотные (РЧ) спектры показали, что пиковые частоты находятся на частотах 2,504, 1,002 и 0,834 МГц соответственно [правый столбец рис. 4(b)], что хорошо соответствует частоте тона 1/T, применяемой в входы импульсной модуляции. На рисунке 4(c) показаны разные пиковые частоты, определенные с разными интервалами импульсов T от 0,4 до 1.5  мкс, что хорошо согласуется с теоретическими пиковыми частотами, указанными как 1/T (красная сплошная линия). Кроме того, акустический сигнал, излучаемый ШИМ при микроволновом возбуждении, имеет узкую полосу пропускания. В частности, ширина полосы пропускания 0,11 МГц была достигнута при пиковой частоте 0,67 МГц с использованием ШИМ с T 1,5   мкс.

Рис. 4

Мультиплексирование акустической эмиссии произвольных частот методом ШИМ на СВЧ. (а) Настройка измерения. На вставке показана схема ШИМ на импульсах возбуждения СВЧ.(б) Измеренные сигналы ТА (слева) и их РЧ-спектры (справа) после преобразования Фурье с использованием ШИМ с T = 0,4, 1,0 и 1,2   мкс соответственно. (c) Пиковые частоты акустической эмиссии с использованием ШИМ с различными периодами импульсов T (черные квадратные точки) и теоретические значения, определенные по 1/T (красная сплошная линия). (d), (e) ШИМ-сигналы с двумя произвольными частотами тона на частотах 0,63 и 1,67 МГц, соответствующие им сигналы ТА и РЧ-спектры соответственно (слева направо). (f) Результат частотного мультиплексирования ШИМ в (d) и (e).(g) Результат временного мультиплексирования двух произвольных частот 0,55 и 1,30 МГц. (h) Результат с обратной временной последовательностью в (g).

Более того, с помощью генератора импульсов, который может мультиплексировать ШИМ различных частот на СВЧ-возбуждение, достигаются произвольные комбинации желаемых частот. При использовании двух частот модуляции 0,63 и 1,67 МГц на ШИМ мы получили их сигналы ШИМ при микроволновом возбуждении, сгенерировали сигналы ТА и нормализовали соответствующие РЧ-спектры после преобразования Фурье, как показано на рис.4(г) и 4(д). Используя функцию мультиплексирования используемого генератора импульсов (9200, Quantum Composers), была проведена операция «ИЛИ» для генерации нового ШИМ. Операция «ИЛИ» эквивалентна суммированию умножения и вычитания ШИМ с использованием частот 0,63 и 1,67 МГц, поэтому в сгенерированном сигнале ТА ожидалось частотное мультиплексирование 0,63 и 1,67 МГц [средний столбец на рис. 4 (е)]. Его радиочастотный спектр действительно показывает частотные составляющие 0,63 и 1,67 МГц, а их дифференциальная частотная составляющая равна 1.04 МГц и частота суммирования 2,30 МГц, что подтверждает частотное мультиплексирование акустического излучения с помощью SRR. Кроме того, использование ШИМ, состоящего из двух импульсов тона двух разных частот, разделенных во времени, как показано на рис. 4(g) и 4(h), с желаемой последовательностью получается временно мультиплексированное излучение на двух произвольных частотах 0,55 и 1,30 МГц.

3.5.

SRR в качестве беспроводного ультразвукового излучателя без батареи

В качестве начальной проверки концепции беспроводного излучателя для США без батареи мы упаковали SRR в небольшой тонкий пластиковый пакет, наполненный небольшим объемом канолы. масло [рис.5(а)]. SRR был помещен под тренировочный фантом США для биопсии молочной железы. Используя микроволновое возбуждение импульса длительностью 1 мкс на частоте 2,33 ГГц с частотой повторения 1 кГц, мы успешно получили сигнал УЗИ, поместив преобразователь над фантомом. На рисунке 5(b) показан обнаруженный УЗ-сигнал, усредненный по 64 кратам, а измеренное отношение сигнал-шум составило около 30. Расстояние от кольцевой антенны до преобразователя оценивается в 53 мм, что близко к толщине фантома. При удалении волновода от грудного фантома наблюдалось уменьшение значений pk2pk акустического сигнала (рис.5(c)], но все же акустический сигнал достаточной интенсивности можно получить на расстоянии 150 мм. Затем мы поместили картонную коробку и коробку с перчатками между волноводом и грудным фантомом; интенсивность сигнала не уменьшилась, как ожидалось, потому что ящик для карточек и перчаточный ящик прозрачны для микроволн [рис. 5(г) и 5(д)]. Более того, при вставленном перчаточном ящике акустический сигнал немного усиливался. Также понятно, что в перчаточном ящике есть резиновые перчатки, которые имеют диэлектрическую проницаемость по отношению к силиконовому фантому груди и действуют как согласующий слой, чтобы передать больше микроволновой энергии в фантом.Таким образом, поместив SRR в небольшой объем масла, он может действовать как беспроводной, безбатарейный УЗ-излучатель с импульсным микроволновым возбуждением средней мощностью всего 10 мВт.

Рис. 5

Проверочная демонстрация SRR в качестве беспроводного излучателя без батареи для США. (а) SRR был упакован в тонкий пластиковый пакет с небольшим объемом масла и помещен под учебную модель биопсии молочной железы для США. (b) Измеренный акустический сигнал в верхней части фантома биопсии молочной железы. (c) Значения pk2pk измеренного акустического сигнала при перемещении волновода на разные расстояния от фантома.(d) и (e) Акустический сигнал, измеренный до и после того, как карточная коробка или коробка, полная резиновых перчаток, была вставлена ​​между волноводом и фантомом соответственно.

4.

Обсуждение

В этой работе мы использовали SRR для эффективного сбора и преобразования микроволновой энергии в тепло, а затем ультразвуковую волну для потенциальных биомедицинских применений в глубоких тканях. По сравнению с обычно используемым контрастным веществом для визуализации TA, таким как MWCNT, SRR обеспечивает более чем на три порядка более высокую эффективность преобразования при генерации ультразвуковой волны.При расчетной плотности потока энергии всего 1,7  мкДж/см2 (энергия импульса 100  мкДж на площади освещения 60  см2) SRR генерировал сильный ультразвуковой сигнал на частоте МГц более 100 SNR без усреднения. Аналогичный механизм резонанса может быть также перенесен на оптические резонаторы, такие как микрокольцо и резонатор с режимом шепчущей галереи, 34 , 35 , для повышения эффективности преобразования света в УЗ.

С помощью тепловизионной и ТА-визуализации мы экспериментально подтвердили, что сильно усиленное электрическое поле ограничено субмиллиметровым зазором SRR, продемонстрировав способность SRR ограничивать энергию до субмиллиметрового масштаба (EM λ0/100) для достижения активная биомодуляция с высоким пространственным разрешением.В тепловизионных экспериментах наблюдалось повышение температуры более чем на 69 К, когда кольцо было неглубоко погружено в масло и возбуждалось резонансными микроволнами в течение периода 250 мс, тогда как при настройке на внерезонансное возбуждение оно составляло всего 0,3 К. . Такой эффективный субмиллиметровый тепловой нагревательный элемент, генерируемый SRR, может обеспечить высокую точность различных устройств и приложений для глубокой термомодуляции тканей, таких как беспроводная тепловая нейронная модуляция с использованием очень коротких импульсов возбуждения, для чего требуется только локальное повышение температуры более чем на 5 K. 36

В этой работе представлено первое использование SRR для резонанса для улучшения сбора и преобразования микроволн в ультразвуковые волны для потенциального использования в активной биомодуляции. Микроволновые резонаторы другой геометрии 37 или периодические решетки 38 могут быть адаптированы для конкретных применений. Мы показали пример использования SRR в качестве беспроводного излучателя УЗИ без батареи под учебным фантомом для биопсии молочной железы. SRR также может применяться снаружи в качестве излучателя УЗИ без батареи для различных носимых приложений УЗИ, таких как беспроводная модуляция УЗИ для обезболивания. 39 Кроме того, он обеспечивает основу для разработки беспроводного ТА-направляющего для локализации поражения в мягких тканях для точного удаления в таких случаях, как органосохраняющая хирургия.

Наконец, с ШИМ на микроволновом возбуждении, мы продемонстрировали передовой УЗ-источник с точно контролируемой частотой излучения и возможностью мультиплексирования произвольной частоты. Эта мощность находится за пределами досягаемости современных излучателей на основе PZT или PA. Несмотря на то, что были предприняты усилия с использованием непрерывного излучения (CW) для генерации ультразвукового сигнала желаемой частоты, который должен быть обнаружен с помощью синхронизации, акустическое давление при возбуждении CW примерно на шесть порядков ниже, чем при импульсном возбуждении, когда оба метода достичь пределов стандарта ANSI. 29 Альтернативно, наносекундные последовательности импульсов нужного тона могут возбуждать акустические импульсы, следующие за данным тоном. Тем не менее, наносекундный импульсный лазер вряд ли может достичь частоты повторения более нескольких МГц, имея энергию в импульсе ∼ мкДж для генерации акустических сигналов достаточной интенсивности для визуализации PA. 40 Напротив, ШИМ при микроволновом возбуждении можно просто реализовать с помощью недорогого генератора импульсов. Таким образом, универсальная акустическая эмиссия SRR с PWM предоставляет исследователям новый инструмент для тщательного изучения частотной реакции клеток и тканей на УЗИ, что может значительно улучшить наше понимание биомодуляции, опосредованной УЗИ.

5.

Приложение

В качестве дополнительных видео представлены:

1. Тепловизионное изображение СРР с резонансным (2,49 ГГц) возбуждением на границе масло–воздух (Видео S1, avi, 1691 кБ [ URL: https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036006.1].

2. Тепловизионное изображение СРР с околорезонансным (2,35 ГГц) возбуждением на границе масло-воздух (Видео S2, avi, 885 кБ [URL: https://doi.org/10.1117/1.AP. 2.3.036006.2]).

3. Тепловизионное изображение СРР с нерезонансным (2,00 ГГц) возбуждением на границе масло-воздух (Видео S3, avi, 342 кБ [URL: https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036006.3]) .

4. ТА-изображение УЗИ, распространяющегося из промежутка SRR (видео S4, avi, 93 КБ [URL: https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036006.4]).

5. Необработанные данные УЗИ (радиочастотные данные) США, распространяющиеся из промежутка SRR (видео S5, avi, 1712 КБ [URL: https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036006.5] ).

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Dr.Томасу Бифано за его любезность предоставить нам тепловизионную камеру. Мы также хотим выразить благодарность доктору Пу Вану за его конструктивное обсуждение предварительного плана эксперимента. Проект был поддержан премией Ignition Award от Бостонского университета для JXC. Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Ссылки

1. 

А. Г. Белл, «О воспроизведении звука светом». в проц. Являюсь. доц. Доп. наук, 115 –136 Академия Google

2.

Т. Боуэн, «Радиационно-индуцированная термоакустическая визуализация», патенты Google № US4385634A (1983).

4.

Х. Ван и др., «Неинвазивная лазерно-индуцированная фотоакустическая томография для структурной и функциональной визуализации in vivo головного мозга», Нац. Биотехнолог., 21 803 –806 (2003). https://doi.org/10.1038/nbt839 NABIF9 1087-0156 Академия Google

14.

Л. Ни и др., «Термоакустическая молекулярная томография с контрастными веществами на основе магнитных наночастиц для целенаправленного обнаружения опухолей». Мед.физ., 37 4193 –4200 (2010). https://doi.org/10.1118/1.3466696 MPHYA6 0094-2405 Академия Google

16. 

Огунладе О. и Бирд П., «Экзогенные контрастные вещества для термоакустической визуализации: исследование основных источников контраста». Мед. физ., 42 170 –181 (2015). https://doi.org/10.1118/1.47 MPHYA6 0094-2405 Академия Google

30. 

Р. Э. Коллин, Основы микроволновой техники, John Wiley & Sons, Нью-Йорк (2007).Google ученый

32. 

Хаттак Х.К., Биануччи П. и Слепков А.Д., «Связывание образования плазмы в винограде с микроволновыми резонансами водных димеров». 4000 –4005 (2019). Google ученый

37. 

С. С. Итон, Г. Р. Итон и Л. Дж. Берлинер, Биомедицинский ЭПР-Часть B: Методология, приборостроение и динамика, 24 Springer Science & Business Media, Бостон (2004). Google ученый

40.

W. Shi et al., «Фотоакустическая микроскопия с оптическим разрешением с использованием новых высокочастотных микрочипов с пассивной модуляцией добротности и волоконных лазеров», Дж. Биомед. Опт., 15 056017 (2010). https://doi.org/10.1117/1.3502661 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar

Биография

Лу Лан в настоящее время работает научным сотрудником в Бостонском университете. Он получил степень бакалавра наук в Южно-Китайском технологическом университете, Гуанчжоу, Китай, в 2011 году и степень MEng в области оптической инженерии в Чжэцзянском университете, Ханчжоу, Китай, в 2014 году.Он окончил Бостонский университет со степенью доктора наук в области биомедицинской инженерии, где его исследования сосредоточены на вибрационной фотоакустической визуализации и томографии, а также на внедрении устройств биофотоники в клиническое использование.

Ji-Xin Cheng получил докторскую степень по химии в Китайском университете науки и технологий, Хэфэй, Китай, в 1998 году. Он является профессором кафедры фотоники и оптоэлектроники Moustakas в Бостонском университете. Его исследования сосредоточены на разработке передовых инструментов химической визуализации для биологических наук и материалов, а также на переводе биофотонных устройств в медицинские приложения.

Биографии других авторов отсутствуют.

К встроенным резонаторам в устройствах беспроводной связи

Вибрационные процессоры механических сигналов в настоящее время широко используются в радиочастотных (РЧ) каскадах современных беспроводных приемопередатчиков. Эти резонаторы, которые включают в себя кварцевые резонаторы, резонаторы поверхностно-акустических волн и тонкопленочные объемные акустические резонаторы, обычно имеют добротность Q (мера способности импульса сопротивляться потерям энергии) в диапазоне 500–10 000.Для сравнения, камертон имеет Q~ 1000, в то время как атомные часы могут достигать значений Q вплоть до 10 11 . Из-за сравнительно высоких показателей качества полученные устройства отличаются превосходными показателями пропускной способности в процентах, вносимых потерь, подавления полосы задерживания и динамического диапазона, а также демонстрируют превосходный фазовый шум вблизи несущей, который, как правило, обратно пропорционален Q 2 . Однако, будучи внешними компонентами, эти устройства должны взаимодействовать с транзисторной электроникой на уровне платы, что препятствует окончательной миниатюризации приемопередатчиков и подчеркивает необходимость замены микросхем.Более того, растущий спрос на когнитивное радио, в котором устройство имеет достаточную вычислительную мощность для изменения рабочих параметров в предвосхищении потребностей пользователя, стимулировал интерес к технологиям, способным уменьшить размер и энергопотребление беспроводных модулей.

Мы (и другие) недавно продемонстрировали вибрирующие ВЧ-резонаторы микроэлектромеханической системы (МЭМС) на частотах до 6,2 ГГц с Q>4000. 1–3 Теперь они хорошо подходят для включения в ряд будущих подсистем беспроводной связи, от сотовых телефонов до маломощных сетевых датчиков.Однако их принятию препятствуют несколько оставшихся проблем, в том числе более высокий импеданс, чем обычно демонстрируют макроскопические аналоги, ограниченная линейность и мощность, а также недостаточная повторяемость и стабильность частоты.

Мы провели систематическое исследование МЭМС-резонаторов, изготовленных из поли- и монокристаллического кремния и нанокристаллического алмаза, полученного химическим осаждением из паровой фазы (CVD) (характеризующегося самой высокой акустической скоростью среди всех тонкопленочных осаждаемых материалов).Учитывая, что резонансная частота, как правило, пропорциональна скорости звука, а рассеяние энергии и Q зависят от свойств материала, мы оценили несколько технологий повышения производительности, ориентированных на устройства и системы. Мы рассмотрели как емкостные, так и пьезоэлектрические резонаторы и уделили особое внимание использованию преобразователей с улучшенной электромеханической связью в качестве основного подхода на уровне устройства для снижения импеданса движения. Появление механически связанных массивов в качестве системно-ориентированного подхода позволяет композитным резонаторам значительно улучшить характеристики.

Как показано на смоделированной форме моды и модели электрической эквивалентной схемы массива резонаторов (см. рис. 1), преимущества составного резонатора многочисленны. Составной резонатор, в котором все компоненты работают в фазе, обеспечивает меньшее сопротивление движению, улучшенную линейность, повышенную мощность и лучшую стабильность частоты в результате распараллеливания устройства. 4,5 Улучшенные электромеханические коэффициенты могут быть получены путем дальнейшего сокращения зазоров емкостных преобразователей и последующего заполнения этих зазоров диэлектриками с более высокой диэлектрической проницаемостью, что приводит к еще большему снижению сопротивления движению.Ультратонкие слои (10 нм) диэлектрических материалов с высокой k ( k : диэлектрической проницаемостью) диэлектрических материалов (например, диоксида титана, диоксида гафния и т. д.) осаждаются в этих зазорах со сверхвысокой конформностью и однородностью с использованием атомно-слойного осаждения ( АЛД) технология. Это позволяет массово производить массивы резонаторов на кристалле с емкостными преобразователями с нанозазором. Используя эти методы, в настоящее время разрабатывается широкий спектр высокочастотных микромеханических резонаторов и решеток резонаторов на подложках кремний-на-изоляторе, работающих на сверхвысоких частотах.

Рис. 1. Чистая электрическая эквивалентная схема (A), схема (B), фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа (C), и смоделированная форма моды (D) механически связанного композитного резонатора на кремнии (Si) -на изоляторе (КНИ) подложки, оснащенные емкостными преобразователями с нанозазором, заполненными диэлектриками с высоким значением k. k: Диэлектрическая проницаемость. v i : Входное переменное напряжение. i x : Выходной ток движения. С: Емкость. Л: Индуктивность.R x : Сопротивление движению. ε: Диэлектрическая проницаемость. h: высота слоя подложки. d: зазор емкостного преобразователя. ALD: атомно-слоевое осаждение.

Рис. 2. (A) Фотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, со схематической и электрической эквивалентной схемой и измеренным частотным спектром одиночного резонатора из нанокристаллического алмаза. (B) Технологический поток в поперечном сечении, модель эквивалентной схемы и схематический рисунок узкополосного микромеханического фильтра, состоящего из механически связанных массивов резонаторов из нанокристаллического алмаза.A, A’: передаточные числа, зависящие от движущей силы. C o , C x : Емкость. f 0 : Частота. v o : Выходное напряжение.VNA: Векторный анализатор цепей.

Список микрообрабатываемых материалов, используемых для реализации этих устройств, включает кремний (как моно-, так и поликристаллический), нитрид алюминия, оксид цинка, кремний-германий, карбид кремния, а также нанокристаллический CVD-алмаз, материал с самой высокой частотой- Q продукт. 2 Тот факт, что акустическая скорость алмаза в два раза выше, чем у поликремния, способствует получению такой впечатляющей частоты — Q продукта. 2,3 Низкая температура осаждения (ниже 400 ° С) ультрананокристаллического алмаза поддается полностью планарной, однокристальной, пост-КМОП интеграции с транзисторными схемами. Мы продемонстрировали микромеханический дисковый резонатор из нанокристаллического алмаза, работающий во второй моде радиального контура при 1.51 ГГц со значениями Q , равными 11 555 в вакууме и 10 100 в воздухе (см. рис. 2), 3 достигает впечатляющей частоты — произведение Q 1,74×10 13 , которое теперь превышает 1×10 13 одни из лучших кристаллов кварца. 2,3 Теперь наше внимание может быть смещено к нашей конечной цели — разработке внутрикристальных узкополосных микромеханических фильтров с беспрецедентной частотной избирательностью и низкими вносимыми потерями. Путем точной настройки нелинейных характеристик резонаторов с емкостным преобразованием теперь мы можем исследовать новые встроенные механические сигнальные процессоры для управления частотой (такие как смесители и умножители).

Jing Wang

University of South Florida

Tampa, FL

Ссылки:

, в IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium 2007 (CSIC 2007), Портленд, штат Орегон, 14–17 октября, стр. 4, 2007 г. 5. Ю. Линь, Дж. Ван, С. Пьетранжело, З. Рен, К. Нгуен, Влияние конфигурации электродов на повторяемость частоты и коэффициента добротности ВЧ микромеханических дисковых резонаторов, в 14th Int.конф. on Solid-State Sensors & Actuators , Lyon, France, June 11-14, pp. 2461-2464, 2007.

Патент США на оптический волноводный кольцевой резонатор с фототуннельным портом ввода/вывода (Патент № 7,630,603, выдан 8 декабря). , 2009)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящее изобретение связано с патентной заявкой Wu et al., озаглавленной «Кольцевой резонатор с оптическим волноводом и оптическим усилением», сер. № 11/829048, поданной одновременно с настоящим документом, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки.

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ФЕДЕРАЛОМ ИССЛЕДОВАНИЯХ ИЛИ РАЗРАБОТКАХ

N/A

ПРЕДПОСЫЛКИ

1. Область техники

Изобретение относится к оптическим волноводам и фотонным схемам. В частности, изобретение относится к оптическим волноводным резонаторам, используемым в фотонных системах.

2. Описание предшествующего уровня техники

Оптический кольцевой резонатор обычно содержит сегмент или сегменты оптического волновода, расположенные в форме кольца или, по существу, в виде замкнутого контура.Такие кольцевые резонаторы имеют множество важных применений в фотонных системах. Например, кольцевой резонатор может быть частью фотонного фильтра. В другом примере кольцевой резонатор может использоваться для одного или нескольких из следующих способов: генерация, модуляция или усиление оптического сигнала путем включения активного элемента или элементов вдоль сегмента (сегментов) оптического волновода внутри кольцевого резонатора. Лазер с накачкой может быть реализован, например, с помощью кольцевого резонатора.

Важной характеристикой резонаторов, включая, помимо прочего, кольцевой резонатор, являются оптические потери.Оптические потери приводят к общей потере энергии оптического сигнала в резонаторе. Потеря энергии оптического сигнала ухудшает характеристики резонатора и может ограничить его полезность в некоторых приложениях. Мерой оптических потерь является так называемая добротность или добротность резонатора. Хорошие резонаторы с низкими потерями обычно имеют высокую добротность и в результате называются «резонаторами с высокой добротностью».

Частично оптические потери в кольцевом резонаторе могут быть частично связаны с потерями в волноводе. К источникам потерь в волноводе относятся материальные потери и потери на рассеяние.Потери материала происходят, когда оптический сигнал либо поглощается, либо рассеивается материалом оптического волновода. С другой стороны, потери на рассеяние вызваны деструктивным взаимодействием между оптическим сигналом и физической границей другой физической структуры оптического волновода. Потери на рассеяние обычно препятствуют распространению оптического сигнала. Тесная связь между оптическим сигналом и оптическим волноводом может дополнительно усугубить такие потери на рассеяние. Потери материала и потери на рассеяние обычно связаны с составом материала и физическим типом (например,г., форма поперечного сечения) используемого оптического волновода.

Оптические потери в кольцевом резонаторе также могут быть связаны или обусловлены кольцевой формой кольцевого резонатора. В частности, кольцевые резонаторы часто испытывают волноводные потери, называемые потерями утечки. При потерях на утечку оптические потери возникают, когда часть оптического сигнала в кольцевом резонаторе уходит или излучается из резонатора, когда оптический сигнал проходит по замкнутому кольцеобразному пути кольцевого резонатора.В частности, кольцевая форма обычно требует, чтобы оптический сигнал, проходящий внутри резонатора, менял направление. Это изменение направления может привести и приводит к некоторым оптическим потерям, особенно когда оптический сигнал не сильно связан с оптическим волноводом.

Пластинчатые оптические волноводы, такие как, помимо прочего, волноводы с гребенчатой ​​нагрузкой и волноводы с обратной гребенчатой ​​нагрузкой, могут демонстрировать более низкие потери на рассеяние, поскольку оптический сигнал слабо связан с волноводом.Однако такие пластинчатые оптические волноводы могут усугублять потери на утечку, особенно в кольцевых резонаторах, имеющих один или оба небольших размера и узкие витки внутри оптического волновода кольцевого резонатора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрен оптический резонатор. Оптический резонатор содержит множество сегментов оптического волновода. Оптический резонатор дополнительно содержит множество зеркал полного внутреннего отражения (ПВО).Количество зеркал ПВО во множестве зеркал ПВО равно количеству сегментов во множестве сегментов. Оптический резонатор дополнительно содержит фототуннельный порт ввода/вывода (I/O). Множество сегментов оптического волновода выполнено в виде замкнутого контура, в котором последовательные пары сегментов соединены друг с другом на соответствующих концах сегментов последовательными зеркалами ПВО. Порт ввода-вывода фототуннелирования содержит назначенное зеркало ПВО из последовательных зеркал ПВО из множества зеркал ПВО.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения предоставляется фотонная система. Фотонная система состоит из оптического источника, создающего оптический сигнал, и оптического резонатора, принимающего оптический сигнал. Оптический резонатор содержит множество сегментов оптического волновода, множество зеркал полного внутреннего отражения (ПВО) и порт ввода-вывода (ввод-вывод) фототуннелирования. Количество зеркал ПВО во множестве зеркал ПВО равно количеству сегментов во множестве сегментов.Множество сегментов оптического волновода выполнено в виде замкнутого контура. Зеркала ПВО соединяют концы сегментов соответствующих последовательных пар сегментов оптического волновода. Порт ввода-вывода для фототуннелирования содержит назначенное зеркало ПВО из множества зеркал ПВО.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрен метод оптического резонанса. Метод оптического резонанса включает распространение оптического сигнала по множеству сегментов оптического волновода.Сегменты множества расположены в виде замкнутого контура, образующего кольцевой резонатор. Последовательные пары сегментов соединены друг с другом на соответствующих концах сегментов последовательными зеркалами из эквивалентного множества зеркал полного внутреннего отражения (ПВО). Способ оптического резонанса дополнительно включает отражение части оптического сигнала на зеркале ПВО из эквивалентного множества. Способ дополнительно включает передачу части оптического сигнала из кольцевого резонатора через фототуннельный порт ввода/вывода (I/O).Порт ввода-вывода для фототуннелирования содержит назначенное одно из зеркал ПВО из эквивалентного множества.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения имеют другие функции, которые являются одной или обеими в дополнение к функциям, описанным выше, или вместо них. Эти и другие особенности изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на следующие чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Различные особенности вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть легче поняты со ссылкой на следующее подробное описание, взятое вместе с прилагаемыми чертежами, где одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые конструктивные элементы, и на которых :

РИС.1А показан вид в поперечном сечении типичного плоского оптического волновода, известного как оптический волновод с гребенчатой ​​нагрузкой.

РИС. 1В показан вид в поперечном сечении другого типичного пластинчатого оптического волновода, известного как волновод с обратным ребристым нагружением.

РИС. 1C иллюстрирует вид в поперечном сечении примерного обычного полоскового оптического волновода.

РИС. 2 показан вид сверху оптического резонатора согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 3A иллюстрирует увеличенный вид части порта ввода-вывода фототуннелирования оптического резонатора, показанного на фиг. 2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 3B иллюстрирует увеличенный вид части порта ввода-вывода фототуннелирования оптического резонатора, показанного на фиг. 2, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 4 иллюстрирует вид в перспективе оптического резонатора по фиг. 2, реализованный в поверхностном слое подложки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 5 показан подробный вид в перспективе примерного зеркала ПВО согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 6 показан вид сверху оптического резонатора согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 7 показан вид сверху оптического резонатора, используемого в примерном мультиплексоре оптических частот, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 8 иллюстрирует блок-схему фотонной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 9 иллюстрирует блок-схему способа оптического резонанса согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Варианты осуществления настоящего изобретения используют сегменты оптического волновода и зеркала полного внутреннего отражения (ПВО) для реализации оптического резонатора с низкими оптическими потерями. В частности, оптический резонатор по настоящему изобретению представляет собой кольцеобразную резонансную структуру с замкнутым контуром, которая поддерживает распространение оптического сигнала внутри замкнутого контура.В различных вариантах осуществления оптического резонатора согласно настоящему изобретению предусмотрены один или более портов ввода/вывода (портов ввода/вывода). Порт(ы) ввода-вывода облегчают ввод и вывод из оптического резонатора распространяющегося оптического сигнала или его части.

Оптический резонатор согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения имеет относительно компактный и компактный форм-фактор. Кроме того, оптический резонатор может быть легко изготовлен в интегрированной форме как часть более крупной схемы или подсистемы.В частности, оптический резонатор в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения хорошо подходит для изготовления на или в подложке, такой как многослойная полупроводниковая подложка, но не ограничиваясь ею. Изготовление на подложке или внутри нее облегчает интеграцию оптического резонатора с другими фотонными компонентами, включая, помимо прочего, один или несколько пассивных фотонных компонентов и активных фотонных компонентов.

В некоторых вариантах осуществления оптический резонатор может быть изготовлен непосредственно в поверхностном слое (например,г., тонкопленочный слой) полупроводниковой подложки. Например, оптический резонатор может быть изготовлен в тонкопленочном полупроводниковом слое подложки полупроводник-на-изоляторе (КНИ) (например, в тонкопленочном слое кремния или поликремния подложки кремний-на-изоляторе). Другие фотонные компоненты аналогичным образом могут быть изготовлены на той же полупроводниковой подложке или в ней и объединены с оптическим резонатором в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Такие фотонные компоненты, которые могут быть интегрированы с оптическим резонатором, включают, но не ограничиваются ими, структуры передачи оптических сигналов (например,например, другие оптические волноводы), оптические усилители, оптические переключатели, оптические модуляторы и оптические источники (например, лазеры, светоизлучающие диоды и т. д.) и оптические детекторы.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в оптическом резонаторе используется пластинчатый оптический волновод. Использование пластинчатого оптического волновода облегчает реализацию резонансной структуры, которая демонстрирует вышеупомянутые низкие оптические потери. В частности, оптический сигнал, распространяющийся внутри оптического резонатора, обычно испытывает низкие потери по сравнению с обычными оптическими резонаторами согласно некоторым вариантам осуществления.Частично низкие потери обусловлены относительно слабым направляющим взаимодействием между направляющей структурой пластинчатого оптического волновода и распространяющимся оптическим сигналом. Низкие потери, испытываемые распространяющимся сигналом в оптическом резонаторе, могут привести к тому, что оптический резонатор будет иметь относительно высокую добротность согласно некоторым вариантам осуществления.

В некоторых вариантах осуществления пластинчатый оптический волновод содержит оптический волновод с гребенчатой ​​нагрузкой. В соответствии с другими вариантами осуществления пластинчатый оптический волновод представляет собой оптический волновод с перевернутым или обратным ребристым нагружением.В еще других вариантах осуществления используются другие оптические волноводы, помимо пластинчатого оптического волновода. Такие оптические волноводы «непластинчатого» типа могут включать, но не ограничиваться этим, полосовой оптический волновод.

Используемый здесь термин «пластинчатый оптический волновод» относится к оптическому волноводу, в котором распространяющийся оптический сигнал ограничивается и распространяется внутри пластины или листа диэлектрического материала. Таким образом, пластинчатый оптический волновод относится к классу диэлектрических волноводов. Пластинчатый оптический волновод также упоминается здесь просто как «пластинчатый волновод».

В некоторых вариантах осуществления толщина пластинчатого волновода выбрана так, чтобы предпочтительно поддерживать моду распространения оптического сигнала более низкого порядка. Например, толщина может быть меньше определенной толщины, так что может распространяться только первая поперечная электрическая мода (т.е. TE 10 ). Конкретная толщина зависит от показателя преломления материала плоского волновода, а также от конкретных физических характеристик плоского волновода (т.е. типа оптического волновода).Руководства по проектированию и уравнения легко доступны для определения конкретной толщины для заданного показателя преломления и типа оптического волновода.

РИС. 1А показан вид в разрезе обычного пластинчатого оптического волновода, известного как оптический волновод 10 с гребенчатой ​​нагрузкой. Оптический волновод с гребенчатой ​​нагрузкой 10 также иногда называют «гребенчатым волноводом» или просто «гребенчатым волноводом». Ребристо-нагруженный волновод содержит пластинчатый слой 12 .В некоторых вариантах осуществления пластинчатый слой 12 может содержать тонкопленочный слой, нанесенный на нижележащий слой или нижележащую опорную подложку (не показана). В таких вариантах осуществления волновод 10 с гребенчатой ​​нагрузкой можно назвать «тонкопленочным» волноводом 10 с гребенчатой ​​нагрузкой.

Пластинчатый слой 12 состоит из диэлектрического материала, через который распространяется оптический сигнал и направляется в ребристом волноводе 10 . В частности, практически вся энергия оптического сигнала ограничивается слоем пластины 12 .Как правило, пластинчатый слой 12 содержит диэлектрический материал или полупроводниковый материал, который ведет себя по существу как диэлектрический материал в отношении его использования в оптическом волноводе. Более того, материал пластинчатого слоя 12 практически прозрачен для оптического сигнала.

Например, пластинчатый слой 12 может содержать полупроводниковый материал, совместимый с оптическим сигналом, такой как, помимо прочего, кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) и ниобат лития (LiNbO 3 ).Диэлектрические материалы, используемые для слоя пластины 12 , могут включать, помимо прочего, стекло (например, боросиликатное стекло) и различные полимеры (например, поликарбонат). В соответствии с различными вариантами осуществления можно использовать любой монокристаллический, поликристаллический или аморфный слой диэлектрического материала или полупроводникового материала. Прозрачность материала пластинчатого слоя влияет на оптические потери гребенчатого волновода. Например, чем менее прозрачен материал, тем больше потерь испытывает оптический сигнал.

В некоторых вариантах осуществления слой плиты 12 поддерживается поддерживающим слоем 14 . Опорный слой 14 физически поддерживает слой 12 плиты. В некоторых вариантах осуществления опорный слой 14 также способствует оптическому ограничению в слое 12 пластины. В некоторых вариантах осуществления опорный слой 14 может содержать материал, который отличается от материала слоя 12 плиты. В частности, опорный слой 14 может содержать материал, имеющий показатель преломления, отличный от показателя преломления слоя 12 пластины.Например, опорный слой 14 может представлять собой изолятор на основе оксида (например, оксид кремния). В другом примере опорный слой 14 представляет собой изоляционный слой подложки КНИ. В некоторых вариантах осуществления разный показатель преломления опорного слоя 14 служит для ограничения оптического сигнала слоем 12 пластины.

Нагруженный гребнем волновод 10 дополнительно содержит гребень 16 . Гребень 16 расположен на верхней поверхности слоя 12 плиты и проходит над ней.Гребень 16 служит для «направления» оптического сигнала в слое плиты 12 . В частности, практически вся оптическая энергия оптического сигнала сосредоточена ниже, но рядом с гребнем 16 внутри слоя 12 плиты. Например, оптический сигнал может быть по существу сконцентрирован в примерно круглой области ниже гребня 16 , как показано в качестве примера пунктирной окружностью на фиг. 1А.

Гребень 16 может быть образован, например, одним или несколькими способами травления, селективного осаждения или печати.Конкретная ширина и высота ребра 16 обычно являются функцией показателя преломления материала слоя 12 плиты. Информацию для определения ширины и высоты можно легко получить из обычных руководств по проектированию и с использованием моделей компьютерного проектирования оптических волноводов с гребенчатой ​​нагрузкой.

РИС. 1В показан вид в поперечном сечении другого обычного пластинчатого волновода, известного как оптический волновод 20 с обратным ребристым нагружением. Оптический волновод 20 с обратной гребенчатой ​​нагрузкой также упоминается здесь просто как «волновод с обратной гребенчатой ​​нагрузкой» или «волновод с обратным гребнем».

Волновод 20 с обратной гребенчатой ​​нагрузкой содержит пластинчатый слой 22 . Волновод 20 с обратным гребнем дополнительно содержит поддерживающий слой 24 . Опорный слой 24 содержит материал, имеющий показатель преломления, который отличается от показателя преломления слоя 22 пластины. Пластинчатый слой 22 по существу подобен пластинчатому слою 12 гребенчатого волновода 10 , описанного выше, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.Кроме того, опорный слой 24 может быть по существу аналогичен опорному слою 14 гребенчатого волновода 10 , описанного выше, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. В некоторых вариантах осуществления пластинчатый слой 22 содержит тонкопленочный слой, нанесенный на опорный слой 24 , при этом опорный слой 24 лежит на поддерживающей подложке (не показана). В таких вариантах осуществления волновод 20 с обратным гребнем можно назвать «тонкопленочным» волноводом 20 с обратным гребнем.

Волновод 20 , нагруженный обратным гребнем, дополнительно содержит гребень 26 . Гребень 26 проходит от поверхности раздела между опорным слоем 24 и плитным слоем 22 вниз и в опорный слой 24 . Как и в случае гребня 16 гребенчатого волновода 10 , описанного выше, гребень 26 обратного гребенчатого волновода 20 служит для направления оптического сигнала в слое 22 плиты.Примерный пунктирный круг выше, но рядом с гребнем 26 иллюстрирует приблизительную величину энергии оптического сигнала, связанную с оптическим сигналом, распространяющимся в волноводе 20 с обратной нагрузкой гребня, в качестве примера.

РИС. 1С показан вид в поперечном сечении примерного обычного полоскового оптического волновода 30 . Полоса оптического волновода 30 , или просто «полоска волновода», содержит полосковый слой 32 и поддерживающий слой 34 .Полоса оптического волновода 30 дополнительно содержит полосу 36 , сформированную в полосовом слое 32 или из него. В частности, полоса 36 может быть сформирована в слое 32 полосы путем травления каналов 38 , определяющих полосу 36 , как показано на фиг. 1С. Каналы 38 оптически изолируют полоску 36 от слоя полоски 32 . В других вариантах осуществления полоса 36 включает весь слой полосы 32 (не показан).Например, полосовой слой 32 может быть по существу удален травлением, чтобы во время изготовления осталась только полоска 36 . Как таковые каналы не образуются.

В отличие от пластинчатых волноводов 10 , 20 оптическая энергия внутри полосового волновода 30 ограничена полосой 36 за счет наличия боковых стенок 6 390 390 полосы. На боковых стенках 39 существует граница материала между материалом полосового слоя 32 и воздухом или другим диэлектрическим материалом внутри каналов 38 .Граница представляет собой изменение показателя преломления на границе. Изменение показателя преломления вызывает тесную связь оптического сигнала с полосой 36 из-за полного внутреннего отражения внутри нее. Пунктирная окружность внутри полосы 36 иллюстрирует приблизительную величину оптической энергии, связанной с оптическим сигналом, распространяющимся, например, в полосковом волноводе 30 .

Оптический резонатор в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения может упоминаться как резонатор со складчатой ​​полостью, поскольку вдоль оптического пути внутри оптического резонатора используются зеркала.В частности, зеркала используются для резкого изменения направления распространения сигнала внутри оптического резонатора. Другими словами, оптический путь внутри резонатора эффективно «складывается» наличием зеркала. По сути, зеркала компенсируют слабое направляющее взаимодействие оптических волноводов, составляющих оптический резонатор. Таким образом, зеркала позволяют реализовать оптический резонатор в более компактной и компактной форме, чем это было бы возможно в противном случае.Зеркала полного внутреннего отражения используются для реализации складчатой ​​полости оптического резонатора в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.

Зеркало полного внутреннего отражения (зеркало ПВО) определяется как зеркало, которое отражает или изменяет направление оптического сигнала с использованием полного внутреннего отражения. Полное внутреннее отражение — хорошо известное оптическое явление. Полное внутреннее отражение оптического сигнала, распространяющегося в материале, происходит, когда оптический сигнал встречается с границей материала под углом, превышающим критический угол относительно нормали к границе.В частности, когда материальная граница представляет собой изменение показателя преломления от более высокого показателя преломления к более низкому показателю преломления, оптический сигнал по существу не сможет проникнуть через границу и будет отражаться от границы. Отражение подчиняется закону отражения в том смысле, что угол отражения равен углу падения на границу. Примером границы, которая может обеспечить полное внутреннее отражение и, таким образом, использоваться в качестве зеркала ПВО, является граница между диэлектрическим материалом (например,г., стекло или кремний) и воздух.

Оптический резонатор в соответствии с различными вариантами осуществления в данном документе использует фототуннельный порт ввода/вывода (I/O) для одного или обоих входов оптических сигналов в оптический резонатор и извлечения (т.е. сопряжения) оптических сигналов из оптического резонатора. Используемый здесь термин «порт ввода-вывода для фототуннелирования» представляет собой соединение между сегментами оптического волновода, которое передает распространяющийся сигнал через соединение для фототуннелирования. Фототуннельный переход — это переход, в котором используется нераспространяющийся или затухающий оптический режим для передачи оптической энергии через переход.

Например, в оптическом волноводе может быть введен зазор или канал, который разделяет волновод на два сегмента. Зазор может содержать воздушный зазор или канал, который физически разделяет два сегмента волновода. Зазор, имеющий другой (например, более низкий) показатель преломления, чем показатель преломления материала сегментов волновода, эффективно вызывает отражение оптического сигнала, падающего на зазор. В частности, наличие зазора прерывает распространение оптического сигнала по световоду.Однако, если зазор имеет протяженность, которая, как правило, меньше, а обычно намного меньше, чем длина волны оптического сигнала, нераспространяющаяся мода или исчезающее поле оптического сигнала могут по существу перескакивать или «туннелировать» через зазор. Туннелирование позволяет оптическому сигналу распространяться от первого сегмента оптического волновода на одной стороне зазора ко второму сегменту оптического волновода на другой стороне. Кроме того, путем управления шириной зазора или расстоянием между двумя сегментами оптического волновода можно контролировать или регулировать количество оптического сигнала, который туннелирует через фототуннельный переход.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения порт ввода-вывода для фототуннелирования содержит зеркало ПВО, зазор и сегмент оптического волновода. Зазор отделяет зеркало ПВО от конца оптического волновода. В других вариантах осуществления порт ввода-вывода для фототуннелирования содержит зеркало ПВО, зазор и другое зеркало ПВО. Зазор обычно меньше одной длины волны оптического сигнала, падающего на зазор. В некоторых вариантах осуществления разрыв составляет приблизительно от одного до десяти процентов (т.е., 1-10%) длины волны оптического сигнала. Такое расположение зеркала ПВО, зазора и либо сегмента оптического волновода, либо другого зеркала ПВО также известно как «нарушенное зеркало ПВО».

В некоторых вариантах осуществления оптический резонатор или его часть могут обеспечивать асимметричное распространение оптического сигнала. В частности, асимметричное распространение может быть относительно направления распространения оптического сигнала вокруг контура оптического резонатора (например, по часовой стрелке или против часовой стрелки).В некоторых из таких вариантов асимметричное распространение обеспечивается магнитооптическим эффектом.

Например, оптический волновод оптического резонатора может быть выборочно легирован магнитным материалом. Селективное легирование может включать легирование только части одного или нескольких сегментов оптического волновода оптического резонатора, легирование одного или нескольких сегментов оптического волновода целиком или легирование всего оптического резонатора в различных вариантах осуществления. В другом примере магнитный материал, обеспечивающий магнитооптический эффект, ограничен слоем или слоями, связанными с оптическим резонатором.Например, слой, содержащий магнитный материал, может быть предусмотрен под оптическим волноводом и отделен от него на длину волны менее чем примерно так, чтобы оптическая мода, распространяющаяся в волноводе, соединялась (например, затухая) со слоем магнитного материала. Например, использование отдельного слоя (слоев) для магнитного материала может уменьшить вредное воздействие магнитного материала. В различных вариантах осуществления слой магнитного материала может быть либо равномерно распределен по всему оптическому резонатору, либо ограничиваться только его частью.Например, слой магнитного материала может быть ограничен одним сегментом волновода оптического резонатора прямоугольной формы.

Внешнее магнитное поле может использоваться для смещения магнитного материала, используемого для легирования оптического резонатора, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Можно использовать магнитные материалы, содержащие один или более из железа (Fe), магния (Mg), марганца (Mn), никеля (Ni), кобальта (Co) и различных их сплавов и соединений. В различных вариантах осуществления использование магнитного материала в сочетании с оптическим резонатором по существу создает асимметричный показатель преломления оптического волновода.Асимметричный показатель преломления по существу обеспечивает или облегчает асимметричное распространение.

Для простоты здесь не делается различий между подложкой и любым слоем или структурой на подложке, за исключением случаев, когда такое различие необходимо для правильного понимания. Кроме того, все описанные здесь волноводы являются оптическими волноводами, так что пропуск термина «оптический» при упоминании «волновода» не меняет предполагаемого значения описываемого. Кроме того, в данном документе артикль «а» имеет свое обычное значение в области патентной техники, а именно «один или несколько».Например, «сегмент» означает один или несколько сегментов, и поэтому «сегмент» означает «сегмент(ы)» в данном документе. Кроме того, любая ссылка в настоящем документе на «верхний», «нижний», «верхний», «нижний», «верхний», «нижний», «левый» или «правый» не предназначена для ограничения. Более того, приведенные здесь примеры предназначены только для иллюстрации и представлены в целях обсуждения, а не в качестве ограничения. Заявка на патент США Ser. Заявка № 11/829,048 Wu et al., озаглавленная «Кольцевой резонатор с оптическим волноводом и оптическим усилением», поданная одновременно с настоящим документом, полностью включена сюда посредством ссылки.

РИС. 2 показан вид сверху оптического резонатора , 100, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Оптический сигнал 102 проиллюстрирован, в качестве примера, распространяющимся по часовой стрелке по замкнутому пути оптического резонатора 100 . Хотя оптический сигнал , 102, проиллюстрирован как распространяющийся в примерном направлении по часовой стрелке, он может одинаково хорошо распространяться в направлении против часовой стрелки и находится в рамках описанных здесь вариантов осуществления.

Оптический резонатор 100 содержит множество сегментов 110 оптического волновода (т. е. сегментов оптического волновода 110 ). Сегменты оптического волновода , 110, расположены в виде замкнутого контура. Каждый из сегментов , 110, оптического волновода направляет оптический сигнал , 102, по длине сегмента , 110, . В частности, оптический сигнал , 102, распространяется вдоль каждого из сегментов , 110, из произвольной начальной точки и в конце концов возвращается в начальную точку.Таким образом, при введении в оптический резонатор 100 оптический сигнал 102 многократно повторяется или циклически повторяется по замкнутому контуру и, таким образом, резонирует в оптическом резонаторе 100 . Резонансная частота оптического резонатора 100 обратно пропорциональна времени прохождения распространяющегося оптического сигнала 102 вокруг замкнутого контура.

В некоторых вариантах осуществления сегменты оптического волновода 110 из множества содержат по существу прямые или линейные сегменты оптического волновода.Практически линейные сегменты , 110, оптического волновода расположены как стороны замкнутого многоугольника. Многоугольник представляет собой простой многоугольник, который является либо выпуклым многоугольником, либо вогнутым многоугольником в соответствии с различными вариантами осуществления. Вариант осуществления оптического резонатора , 100, , показанный на фиг. 2 содержит четыре сегмента оптического волновода , 110, , которые расположены в виде четырех сторон прямоугольника, представляющего, например, замкнутый контур. В других вариантах осуществления замкнутый контур, образованный сегментами оптического волновода , 110, , может быть представлен по существу любым замкнутым многоугольником, имеющим более двух сторон, включая, но не ограничиваясь этим, треугольник, пятиугольник и шестиугольник.

Оптический резонатор 100 дополнительно содержит эквивалентное множество зеркал полного внутреннего отражения (ПВО) 120 . Термин «эквивалентное множество» в настоящем документе определяется как означающий, что количество или количество ПВО-зеркал , 120, в множестве зеркал эквивалентно или такое же, как количество или количество сегментов оптического волновода , 110 в множестве сегментов. Зеркала ПВО 120 соединяют пары сегментов оптического волновода 110 друг с другом, образуя замкнутый контур.В частности, каждое зеркало ПВО , 120, соединяет вместе смежные концы соответствующей пары сегментов оптического волновода , 110, для последовательного замыкания контура. Кроме того, зеркала ПВО , 120, облегчают распространение оптического сигнала , 102, внутри оптического резонатора , 100, . Когда оптический сигнал 102 , распространяющийся вдоль определенного сегмента оптического волновода 110 , встречает зеркало ПВО 120 в конце определенного сегмента 110 , зеркало ПВО 120 перенаправляет или отражает оптический сигнал 0 904 9020 таким образом, что оптический сигнал 102 поступает в соседний или последующий сегмент 110 оптического волновода.

Оптический резонатор 100 дополнительно содержит порт 130 ввода/вывода для фототуннелирования. При функционировании в качестве входного порта фототуннельный порт 130 ввода-вывода пропускает или вводит оптический сигнал 102 или его часть в оптический резонатор 100 . При функционировании в качестве выходного порта фототуннельный порт 130 ввода-вывода позволяет оптическому сигналу 102 или его части выходить из оптического резонатора 100 или покидать его.

В целом, функция фототуннельного порта ввода/вывода 130 как входного или выходного порта зависит от направления распространения оптического сигнала 102 . То есть, когда оптический сигнал 102 находится внутри оптического резонатора 100 и сталкивается с портом ввода/вывода фототуннелирования 130 , порт 130 функционирует как выходной порт и передает оптический сигнал 102 . или его часть из оптического резонатора 100 .Альтернативно, порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования функционирует как входной порт, если оптический сигнал 102 падает на порт 130 снаружи оптического резонатора 100 . В любом случае часть оптического сигнала 102 проходит через порт 130 ввода/вывода фототуннелирования за счет эффекта фототуннелирования (например, затухающей связи поля через зазор), связанного с портом 130 , как описано выше. На фиг.2 порт 130 ввода/вывода фототуннелирования показан как порт вывода.

РИС. 3A иллюстрирует увеличенный вид порта ввода-вывода , 130, фототуннелирования, показанного на фиг. 2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования содержит назначенное зеркало 132 ПВО из множества зеркал 120 ПВО. Порт , 130, ввода-вывода для фототуннелирования дополнительно содержит сегмент , 134, оптического волновода, имеющий конец.Назначенное зеркало ПВО 132 является выбранным одним из зеркал ПВО 120 , расположенных рядом с концом сегмента 134 оптического волновода. Сегмент 134 оптического волновода является отдельным и обособленным от множества сегментов 110 оптического волновода оптического резонатора 100 . Порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования дополнительно содержит зазор 136 , который отделяет конец сегмента 134 оптического волновода от назначенного зеркала 132 ПВО.Также проиллюстрировано на фиг. 3 представлена ​​часть 102 a оптического сигнала 102 , которая проходит через порт 130 ввода/вывода фототуннелирования и попадает в сегмент 134 .

В некоторых вариантах зазор 136 заполнен материалом. Как правило, в некоторых вариантах осуществления материал зазора может содержать либо жидкость (например, газ или жидкость), либо твердое тело (например, полупроводниковый материал или диэлектрический материал). В других вариантах осуществления зазор 136 практически не содержит материала зазора (например,г., вакуум). В любом случае зазор 136 имеет показатель преломления, который отличается от показателя преломления соответствующих материалов обозначенного зеркала ПВО 132 и сегмента оптического волновода 134 , а в некоторых вариантах осуществления он ниже. Например, материал зазора может быть газом (например, воздухом) среды, окружающей оптический резонатор , 100, . Воздух имеет показатель преломления около единицы. Соответствующие материалы указанного зеркала ПВО 132 и сегмента оптического волновода 134 могут иметь показатели преломления, например, около четырех.В частности, показатели преломления указанного материала зеркала ПВО 132 и материала сегмента оптического волновода 134 отличаются от показателя преломления материала зазора.

В некоторых вариантах осуществления зазор 136 выполнен в виде прорези или канала, который отделяет обозначенное зеркало ПВО 132 от сегмента 134 оптического волновода. В других вариантах осуществления зазор , 136, представляет собой область, заполненную подходящим пропускающим материалом, имеющим показатель преломления, который отличается от (т.е., меньше, чем показатель преломления оптического волновода назначенного зеркала ПВО 132 и отдельного сегмента оптического волновода 134 (не показан).

РИС. 3B иллюстрирует увеличенный вид части порта ввода/вывода фототуннелирования оптического резонатора , 100, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования содержит назначенное зеркало ПВО 132 из множества зеркал ПВО 120 .Порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования дополнительно содержит другое зеркало 138 ПВО. Другое зеркало TIR 138 находится рядом с назначенным зеркалом TIR 132 , но не является одним из множества зеркал TIR 120 . В некоторых вариантах осуществления другое зеркало ПВО 138 может быть одним из множества зеркал ПВО другого оптического резонатора, смежного с оптическим резонатором 100 . В некоторых из этих вариантов осуществления зеркало ПВО , 138, может соединять пару сегментов оптического волновода, которые являются внешними по отношению к оптическому резонатору , 100, .Например, один из сегментов пары может быть сегментом 134 оптического волновода, за исключением того, что конец сегмента 134 содержит другое зеркало 138 ПВО. Порт 130 ввода-вывода для фототуннелирования дополнительно содержит зазор 136 , который отделяет другое зеркало 138 ПВО от назначенного зеркала 132 ПВО.

Например, фототуннельный порт ввода-вывода 130 , показанный на фиг. 3B, может функционировать как входной порт для оптического резонатора 100 .Когда порт , 130, ввода/вывода фототуннелирования на фиг. 3B работает как входной порт, оптический сигнал 102 b , распространяющийся в сегменте оптического волновода 134 , частично или полностью вводится в оптический резонатор 100 через фототуннельный порт ввода/вывода 130 стать оптическим сигналом 102 внутри оптического резонатора 100 . Часть оптического сигнала 102 b на резонансной частоте оптического резонатора 100 может быть связана, в то время как части оптического сигнала 102 b не на резонансной частоте могут не быть связаны, например .Когда только часть оптического сигнала 102 b поступает в резонатор 100 , оставшаяся часть или части оптического сигнала 102 c могут продолжать распространяться по другому сегменту оптического волновода резонатора. пара после отражения зеркалом МДП 138 . В рамках некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения другой оптический резонатор может быть другим оптическим резонатором 100 , смежным с оптическим резонатором 100 .

В некоторых вариантах осуществления в дополнение к фототуннельному порту ввода-вывода 130 может использоваться другой оптический порт. Обращаясь снова к фиг. 2 другой оптический порт показан как сегмент , 140, оптического волновода. Сегмент 140 параллелен и проксимален одному из сегментов 110 оптического волновода оптического резонатора 100 , как показано. Другой оптический порт такого типа часто называют портом «параллельной линии» и может функционировать либо как входной порт, либо как выходной порт по отношению к оптическому резонатору 100 .Например, часть оптического сигнала 102 d , распространяющегося в параллельном сегменте 140 оптического волновода, может быть введена в сегмент 110 оптического волновода. Часть оптического сигнала 102 d , введенная в оптический резонатор 100 , может стать, например, оптическим сигналом 102 .

РИС. 4 иллюстрирует вид в перспективе оптического резонатора , 100, по фиг.2, реализованный в поверхностном слое подложки 200 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, как показано на фиг. 4, подложка 200 содержит подложку 200 полупроводник на изоляторе (КНИ), имеющую полупроводниковый слой 210 , расположенный поверх слоя 220 изолятора на основе оксида или аналогичного. Оптический резонатор 100 показан внутри полупроводникового слоя 210 . Полупроводниковый слой 210 может быть аналогичен пластинчатому слою 12 , 22 , описанному выше со ссылкой на фиг.1А и 1В, в некоторых вариантах осуществления, или полосовой слой 32 , показанный на ФИГ. 1С, в некоторых вариантах осуществления. Аналогично, изоляционный слой , 220, может быть подобен любому из опорных слоев , 14, , , 24, , , 34, , описанных выше со ссылкой на ФИГ. 1A, 1 B и 1 C в некоторых вариантах осуществления.

Четыре сегмента оптического волновода 110 , соединенные соответствующими сегментами из четырех ПВО-зеркал 120 , образуют оптический резонатор 100 варианта осуществления, показанного на фиг.4, в качестве примера. Кроме того, как показано, сегменты оптического волновода , 110, содержат волновод с гребневой нагрузкой (например, оптический волновод 10 с гребенчатой ​​нагрузкой, описанный выше). Приблизительная протяженность направленной части оптического сигнала показана на фиг. 4 в виде пары пунктирных линий по обе стороны от гребня сегментов 110 волновода, нагруженных гребнем.

Как показано на РИС. 4, зеркала ПВО , 120, выполнены в виде отверстия или полости , 212, , сформированной в направляющей части (т.е., полупроводниковый слой 210 ) подложки 200 . Полость 212 создает стенку ПВО 122 (например, разность показателей преломления или неоднородность) поперек оптической оси распространения (т.е. центральной линии оптического волновода) пары пересекающихся сегментов оптического волновода 110 . Стенка МДП 122 обычно выходит за пределы направленной части оптического сигнала. В некоторых вариантах осуществления стенка ПВО , 122, проходит в гребневую часть оптического волновода , 110, , нагруженного гребнем, как показано на фиг.4.

Фототуннельный порт ввода-вывода 130 также показан на фиг. 4. Фототуннельный порт ввода/вывода 130 реализуется зазором 136 , образованным в полупроводниковом слое 210 . Промежуток 136 , имеющий ширину менее одной длины волны (например, 1-10% длины волны) оптического сигнала, отделяет указанное зеркало ПВО 132 от сегмента оптического волновода 134 , который действует как выходной тракт или соединение для оптического сигнала.Оптический резонатор 100 может быть изготовлен в подложке 200 КНИ с использованием, например, обычных способов изготовления полупроводников.

РИС. 5 показан подробный вид в перспективе примерного зеркала ПВО , 120, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, фиг. 5 показан крупный план одного из зеркал ПВО , 120, , которое соединяет пару смежных сегментов , 110, оптического волновода на концах соответствующих сегментов.Как показано, зеркало 120 ПВО содержит вертикально ориентированную отражающую поверхность (т.е. стенку 122 ПВО), сформированную в подложке 200 , которая пересекается с двумя соседними пересекающимися сегментами 110 оптического волновода. Кроме того, как показано на фиг. 5, два сегмента оптического волновода , 110, пересекаются примерно под углом 90 градусов относительно друг друга в некоторых вариантах осуществления. Как таковая, стенка , 122, пересекает каждый из пересекающихся сегментов оптического волновода , 110, под углом примерно 45 градусов.Другими словами, в некоторых вариантах осуществления стенка , 122, создает фаску под углом 45 градусов на пересекающихся концах двух сегментов , 110, оптического волновода. Стенка , 122, проходит за осевую линию (т.е. ось распространения) каждого из сегментов , 110, оптического волновода в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Кроме того, стенка , 122, может выходить за пределы направляемой части оптического сигнала, показанной пунктирными линиями, в каждом из пересекающихся сегментов оптического волновода , 110, , чтобы обеспечить по существу полное отражение оптического сигнала.

Стенка 122 образована полостью или отверстием 212 в основании 200 . В некоторых вариантах осуществления отверстие 212 проходит по меньшей мере на толщину полупроводникового слоя 210 . Отверстие , 212, может быть сформировано, например, путем выборочного травления или иного удаления части полупроводникового слоя , 210, . Хотя показано как треугольное отверстие , 212, на ФИГ. 4 и 5 отверстие , 212, может иметь практически любую форму при условии, что стенка , 122, сформирована с целевой ориентацией для создания зеркала ПВО , 120, .

Как показано на РИС. 5, зеркало ПВО , 120, дополнительно содержит ребристую стенку , 124 , образованную в ребре , 116 оптического волновода, нагруженного на ребро. Стена конька 124 параллельна стене 122 . В некоторых вариантах осуществления коньковая стенка , 124, не используется. В других вариантах осуществления стенка 124 конька примыкает и лежит в одной плоскости со стенкой 122 (например, как показано на фиг. 4).

Коньковая стенка 124 в сочетании со стенкой 122 создают изменение показателя преломления зеркала ПВО 120 .В частности, на одной стороне стенок 122 , 124 показатель преломления соответствует полупроводниковому слою 210 (например, показатель преломления = 4,01 для Si). С другой стороны стен 122 , 124 показатель преломления примерно равен показателю преломления 1,0 (т.е. показателю преломления воздуха). Изменение показателя преломления удовлетворяет требованиям полного внутреннего отражения для изготовления зеркала ПВО 120 .

Как было сказано выше, оптический резонатор 100 может быть реализован в виде практически любого многоугольника.ИНЖИР. 6 показан вид сверху другого варианта осуществления оптического резонатора , 100, треугольной формы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В частности, показаны три сегмента , 110, оптического волновода, соединенные друг с другом на соответствующих концах тремя зеркалами , 120, ПВО. Кроме того, оптический резонатор , 100, , показанный на фиг. 6 содержит два порта , 130, ввода/вывода фототуннелирования. Например, один из двух портов ввода-вывода фототуннелирования может служить входным портом, а другой может функционировать как выходной порт оптического резонатора 100 .Каждый из двух портов , 130, ввода/вывода фототуннелирования использует отдельное одно из трех зеркал TIR , 120, .

РИС. 7 показан вид сверху оптического резонатора , 100, , используемого в примерном оптическом мультиплексоре, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано, примерный оптический мультиплексор содержит четыре оптических резонатора , 100, . Каждый из четырех оптических резонаторов , 100, имеет определенную резонансную частоту или, что то же самое, определенную резонансную оптическую длину волны λ (например,г., λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ). Кроме того, как показано, каждый оптический резонатор , 100, содержит два фототуннельных порта , 130, ввода/вывода. Первый порт , 130, ввода-вывода для фототуннелирования из двух портов , 130, функционирует как входной порт и содержит два зеркала ПВО. Например, первый порт , 130, ввода-вывода фототуннелирования может быть по существу аналогичен варианту осуществления, описанному выше в отношении фиг. 3Б. Второй порт , 130, ввода-вывода для фототуннелирования из двух портов , 130, является выходным портом и содержит одно зеркало ПВО.Второй порт , 130, ввода-вывода фототуннелирования может быть по существу аналогичен порту, описанному выше в отношении фиг. 3А, например.

Мультиплексор оптических частот принимает широкополосный сигнал S, содержащий множество оптических частот. Например, широкополосный сигнал S может содержать подсигналы s 0 , s 1 , s 2 , s 3 , s 4 , s 5 0 0-4 , 3 s 6 90 каждый сигнал, имеющий определенную частоту или, что то же самое, определенную оптическую длину волны λ.Например, субсигнал s 1 может иметь конкретную оптическую длину волны λ 1 , субсигнал s 2 может иметь конкретную оптическую длину волны λ 2 и так далее. Из-за определенной резонансной оптической длины волны λ соответствующих оптических резонаторов 100 , конкретных подсигналов s 0 , s 1 , s 2 , s 3 , s 4 , s 4 5 , s 6 , выборочно и преимущественно связаны с каждым из четырех оптических резонаторов 100 .

Например, когда широкополосный сигнал S встречается с первым оптическим резонатором 100 , имеющим резонансную длину волны λ 1 , вспомогательный сигнал s 1 предпочтительно передается в первый оптический резонатор 100 . В некоторых вариантах осуществления соединение может эффективно удалять субсигнал s 1 из широкополосного сигнала S, оставляя только субсигналы s 0 , s 2 , s 3 , s 4 , s 5 , с 6 .Подсигнал s 1 может затем выходить из мультиплексора оптических частот во втором порте 130 фототуннелирования. Аналогично, когда входной сигнал S встречается с третьим оптическим резонатором 100 , имеющим резонансную длину волны λ 3 , вспомогательный сигнал s 3 предпочтительно передается в третий оптический резонатор 100 .

РИС. 8 иллюстрирует блок-схему фотонной системы , 300, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.Фотонная система 300 содержит оптический резонатор 310 . Оптический резонатор 310 содержит множество сегментов оптического волновода 312 , эквивалентное множество зеркал ПВО , 314 и порт 316 ввода-вывода фототуннелирования. Сегменты , 312, оптического волновода расположены в замкнутом контуре с зеркалами ПВО , 314, , соединяющими сегменты , 312, . Порт , 316, ввода-вывода для фототуннелирования содержит одно из зеркал ПВО , 314, из множества.В некоторых вариантах осуществления оптический резонатор 310 по существу аналогичен оптическому резонатору 100 , описанному выше.

Фотонная система 300 дополнительно содержит источник оптического сигнала 320 , который генерирует оптический сигнал 322 . Например, источник оптического сигнала , 320, может содержать лазер или светоизлучающий диод (СИД). Сгенерированный оптический сигнал 322 поступает в оптический резонатор 310 и резонирует с ним.

В некоторых вариантах осуществления оптический сигнал 322 поступает в оптический резонатор 310 через фототуннельный порт ввода/вывода 316 . Например, источник , 320, оптического сигнала может подавать оптический сигнал , 322, в сегмент оптического волновода , 324, . В свою очередь, сегмент оптического волновода 324 имеет конец, который заканчивается портом 316 ввода/вывода фототуннелирования. Таким образом, порт ввода-вывода 316 в этом примере функционирует как порт ввода.

В других вариантах осуществления оптический сигнал 322 может быть введен в оптический резонатор 310 через другой порт ввода/вывода. Например, сегмент оптического волновода (не показан), параллельный и находящийся в непосредственной близости от одного из сегментов оптического волновода , 312, оптического резонатора , 310 , может действовать как порт ввода/вывода. В некоторых вариантах осуществления порт 316 ввода-вывода фототуннелирования, другой порт 318 ввода-вывода фототуннелирования или другой порт ввода-вывода (не показан) могут действовать как порт вывода.

Например, выходной порт может производить выборку части оптического сигнала 322 , резонирующего в оптическом резонаторе 310 . Отобранная часть затем соединяется, например, с сегментом оптического волновода , 326, . Таким образом, порт ввода-вывода 318 в этом примере функционирует как порт вывода. В другом примере дискретизированная часть оптического сигнала , 322, связана с другим компонентом (не показан), внешним по отношению к оптическому резонатору , 310, .В некоторых вариантах осуществления оптический источник 320 может быть расположен внутри оптического резонатора 310 . Например, оптический источник , 320, может быть объединен с одним из сегментов оптического волновода , 312, (не показано).

РИС. 9 иллюстрирует блок-схему способа , 400, оптического резонанса согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Способ 400 оптического резонанса включает распространение 410 оптического сигнала по множеству сегментов оптического волновода.Например, сегменты оптического волновода расположены в виде замкнутого контура, образующего кольцевой резонатор. Последовательные пары сегментов оптического волновода соединены друг с другом на соответствующих концах смежных сегментов соответствующими зеркалами эквивалентного множества ПВО для дополнительного определения замкнутого контура кольцевого резонатора. В некоторых вариантах осуществления кольцевой резонатор по существу аналогичен любому из вариантов осуществления, описанных выше для оптического резонатора 100 .

Метод 400 оптического резонанса дополнительно включает отражение 420 оптического сигнала в зеркале ПВО.В некоторых вариантах осуществления практически весь оптический сигнал отражается 420 зеркалом ПВО. В частности, оптический сигнал, распространяющийся в первом сегменте оптического волновода последующей пары, отражается зеркалом ПВО, соединенным с соседними концами первого сегмента оптического волновода и второго сегмента оптического волновода следующей пары. После отражения 420 оптический сигнал входит и распространяется во втором сегменте оптического волновода следующей пары.В конечном итоге оптический сигнал попадает на другое зеркало ПВО на противоположном конце второго сегмента оптического волновода. Другое зеркало ПВО дополнительно отражает 420 оптический сигнал аналогичным образом в соответствующий последующий сегмент оптического волновода. Последовательно распространяясь 410 и отражая 420 , оптический сигнал может проходить вокруг или вокруг замкнутого контура кольцевого резонатора. В других вариантах осуществления отражается только часть оптического сигнала 420 .

Способ 400 дополнительно включает передачу 430 оптического сигнала через фототуннельный порт ввода/вывода (I/O). Только часть оптического сигнала передается , 430, через порт ввода/вывода фототуннелирования согласно некоторым вариантам осуществления. Передача 430 включает в себя одну или обе передачи из кольцевого резонатора и передачу в кольцевой резонатор. В некоторых вариантах осуществления передаваемый оптический сигнал 430 или его часть выходит из кольцевого резонатора или покидает его.При передаче 430 оптического сигнала из кольцевого резонатора фототуннельный порт ввода-вывода действует как выходной порт, как определено здесь.

Фототуннельный порт ввода-вывода включает одно из зеркал ПВО кольцевого резонатора. Порт ввода-вывода фототуннелирования дополнительно содержит зазор и, согласно некоторым вариантам осуществления, другой сегмент оптического волновода, который не является частью множества сегментов оптического волновода. В некоторых вариантах осуществления конец другого сегмента оптического волновода содержит другое зеркало ПВО.Это другое зеркало TIR не является частью множества зеркал TIR. Зеркало ПВО порта ввода-вывода с фототуннелированием обычно не отражает по существу весь оптический сигнал из-за вышеупомянутого эффекта фототуннелирования, связанного с портом. Вместо этого только часть оптического сигнала отражается 420 назначенным зеркалом ПВО в порту ввода-вывода фототуннелирования, в то время как остальная часть оптического сигнала передается 430 из кольцевого резонатора через зазор и в опциональный другой сегмент оптического волновода.

В некоторых вариантах осуществления оптический сигнал снаружи кольцевого резонатора может передаваться 430 через фототуннельный порт ввода-вывода в кольцевой резонатор. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления фототуннельный порт ввода-вывода может действовать как входной порт, когда источник оптического сигнала находится вне кольцевого резонатора. В различных вариантах осуществления порт ввода-вывода фототуннелирования может действовать как порт ввода, порт вывода или их комбинация. В некоторых вариантах осуществления может быть более одного порта ввода-вывода фототуннелирования, и в этом случае действует ли конкретный порт ввода-вывода фототуннелирования в качестве выходного порта для передачи 430 оптического сигнала на выходе. кольцевого резонатора обычно зависит от конкретной конфигурации кольцевого резонатора (например,г., местонахождение источника оптического сигнала).

В некоторых вариантах осуществления способ 400 дополнительно включает создание оптического сигнала (не показано). Например, оптический сигнал может быть создан с использованием оптического источника, такого как лазер или светодиод, который генерирует оптический сигнал. В некоторых вариантах осуществления способ , 400, дополнительно включает изменение оптического сигнала (не показано). Модификация оптического сигнала может включать усиление оптического сигнала и модуляцию оптического сигнала.В некоторых вариантах осуществления одно или несколько из создания, усиления и модуляции могут выполняться по меньшей мере в одном из сегментов множества сегментов оптического волновода.

Таким образом, были описаны варианты реализации оптического резонатора, а также метод оптического резонанса и фотонная система с использованием оптического резонатора. Следует понимать, что вышеописанные варианты осуществления являются просто иллюстрацией некоторых из многих конкретных вариантов осуществления, которые представляют принципы настоящего изобретения.Ясно, что специалисты в данной области могут легко разработать множество других устройств, не выходя за рамки объема настоящего изобретения, определенного следующей формулой изобретения.

Биосенсор для обнаружения человеческого IgE с помощью устройств FBAR с сдвиговым режимом | Письма о наномасштабных исследованиях

  • Юнг Дж. П., Ли Дж. Б., Ким Дж. С., Пак Дж. С. Изготовление и характеристика высокочастотного устройства на ПАВ с конфигурацией IDT/ZnO/AlN/Si: роль буфера AlN. Тонкие твердые пленки. 2004; 447–448: 605–9.

    Артикул Google ученый

  • Леграни О., Эльмазрия О., Жгун С., Пигеат П., Бартасайт А.Бескорпусная структура AlN/ZnO/Si для устройств на ПАВ. IEEE Sens J. 2013; 13:487–91.

    Артикул Google ученый

  • Meng X, Yang C, Chen Q, Gao Y, Yang J. Получение пленок AlN с высокой ориентацией оси c на подложке Si с буферным слоем ZnO с помощью магнетронного распыления на постоянном токе. Матер Летт. 2013;90:49–52.

    Артикул Google ученый

  • Као К.С., Ченг К.С., Чанг К.Дж., Чен Ю.К.Свойства поверхностных акустических волн протонообменных волноводов LiNbO 3 с пленкой SiO 2 . IEEE Trans Ultrason Ferrolectr Freq Control. 2005; 52: 503–6.

    Артикул Google ученый

  • Вэй К.Л., Чен Ю.К., Чен К.С., Као К.С., Ченг Д.Л., Ченг П.С. Высокочувствительный детектор ультрафиолетового излучения с использованием генератора на ПАВ со слоями ZnO/Si. Тонкие твердые пленки. 2010; 518:3059–62.

    Артикул Google ученый

  • Клемент М., Оливарес Х., Иборра Э., Гонсалес-Кастилья С., Риммер Н., Растоги А.Пленки AlN, напыленные на иридиевые электроды для объемных резонаторов акустических волн. Тонкие твердые пленки. 2009; 517:4673–8.

    Артикул Google ученый

  • Ли Дж.Б., Юнг Дж.П., Ли М.Х., Пак Дж.С. Влияние нижних электродов на ориентацию пленок AlN и частотные характеристики резонаторов в FBAR на основе AlN. Тонкие твердые пленки. 2004; 447–448: 610–4.

    Артикул Google ученый

  • Йим М., Ким Д.Х., Чай Д., Юн Г.Влияние термического отжига многослойных брэгговских отражателей W/SiO 2 на резонансные характеристики объемных пленочных акустических резонаторов с кобальтовыми электродами. J Vac Sci Technol A. 2004;22:465–71.

    Артикул Google ученый

  • Кирби П.Б., Поттер М.Д.Г., Уильямс С.П., Лим М.Ю. Рассмотрение тонкопленочных пьезоэлектрических свойств для поверхностных акустических волн и тонкопленочных объемных акустических резонаторов. J Eur Ceram Soc. 2003; 23: 2689–92.

    Артикул Google ученый

  • Huang CL, Tay KW, Wu L. Изготовление и анализ характеристик пленочных объемных резонаторов акустических волн. Матер Летт. 2005;59:1012–6.

    Артикул Google ученый

  • Умар А., Рахман М.М., Васим М., Хан Ю.Б. Сверхчувствительный биосенсор холестерина на основе низкотемпературных наночастиц ZnO. Электрохим общ. 2009; 11: 118–21.

    Артикул Google ученый

  • Хонг С., Йео Дж., Манороткул В., Ким Г., Квон Дж., Ан К. и др. Низкотемпературное быстрое изготовление массива УФ-датчиков нанопроволоки ZnO с помощью локального гидротермального роста, индуцированного лазером. Дж Наноматер. 2013;2013:246328.

    Google ученый

  • Акияма М., Морофудзи Ю., Камохара Т., Нисикубо К., Цубай М., Фукуда О. и др. Гибкие пьезоэлектрические датчики давления с использованием тонких ориентированных пленок нитрида алюминия, изготовленных на полиэтилентерефталатных пленках.J Appl Phys. 2006;100:114318.

    Артикул Google ученый

  • Иборра Э., Клемент М., Капилла Дж., Оливарес Дж., Фельметсгер В. Высококачественные пленки нитрида алюминия малой толщины для сверхвысокочастотных твердотельных резонаторов. J Appl Phys. 2012;520:3060–3.

    Google ученый

  • Линь Р.К., Чен Ю.К., Чанг В.Т., Ченг К.С., Као К.С. Высокочувствительный датчик массы с использованием объемного пленочного акустического резонатора.Сенсор Активация A-Phys. 2008; 147: 425–9.

    Артикул Google ученый

  • Чжан Х., Ким Э.С. Микромашинный акустический резонансный датчик массы. Дж. Микроэлектромех С. 2005; 14:699–706.

    Артикул Google ученый

  • Chung CJ, Chen YC, Cheng CC, Kao KS. Синтез и свойства объемной акустической волны при двухмодовом сдвиге частоты твердотельных резонаторов. IEEE Trans Ultrason Ferrolectr Freq Control.2008; 55: 857–64.

    Артикул Google ученый

  • Schwindt CD, Settipane R. Аллергический ринит (АР) в настоящее время поражает около 1,4 миллиарда человек во всем мире, и его число продолжает расти. Ам Джей Ринол. Аллергия. 2012;26:S1–S1(1).

    Google ученый

  • Рай М., Карпинелла М.С. Природные биологически активные соединения. Книги Бейкера и Тейлора: Elsevier Science; 2006.стр. 271.

  • Chen YC, Chang WT, Cheng CC, Shen JY, Kao KS. Разработка биосенсора IgE человека с использованием устройств SAW в режиме Sezawa. Curr Appl Phys. 2014;14:608–13.

    Артикул Google ученый

  • Хуан И.Ю., Ли М.С. Разработка биосенсора аллергии FPW для обнаружения человеческого IgE с помощью технологий MEMS и SAM на основе цистамина. Sensor Actuat B-Chem. 2008; 132:340–8.

    Артикул Google ученый

  • Хуан И.Ю., Ли М.С., Сюй Ч., Ван К.С.Разработка микросистемы биосенсорной аллергии иммуноглобулина-E (IgE) с изгибной пластинчатой ​​волной (FPW). Sensor Actuat B-Chem. 2012; 162:184–93.

    Артикул Google ученый

  • Хуан И.Ю., Ли М.С., Чанг Ю.В. Разработка нового биосенсора изгибных пластинчатых волн для обнаружения иммуноглобулина-Е с использованием технологий SAM и MEMS, 5-я конференция IEEE по датчикам, октябрь 2006 г. Тэгу: IEEE; 2006. с. 70.

    Google ученый

  • Хуан И.Ю., Ли М.С., Чанг Ю.В., Хуан Р.С.Разработка и характеристика биосенсора аллергии на основе FPW, ISIE 2007. Международный симпозиум IEEE по промышленной электронике, июнь 2007 г. Тэгу: IEEE; 2007. с. 2736.

    Google ученый

  • Цинь Л., Чен К., Ченг Х., Ван К.М. Аналитическое исследование двухмодовых тонкопленочных объемных акустических резонаторов (ОПАР) на основе пленок ZnO и AlN с наклонной ориентацией оси с. IEEE T Ultrason Ferr. 2010;57:840–1853.

    Google ученый

  • Чен Ю.С., Чанг В.Т., Као К.С., Ян Ч., Ченг Ч.С.Датчик жидкости с использованием тонкопленочного объемного акустического резонатора с пленками AlN, наклоненными по оси с. Дж Наноматер. 2013;2013:245095.

    Google ученый

  • McNeil L, Grimsditch M, French RH. Колебательная спектроскопия нитрида алюминия. J Am Ceram Soc. 1993;76:1132–6.

    Артикул Google ученый

  • Остуни Э., Чепмен Р.Г., Холмлин Р.Е., Такаяма С., Уайтсайдс Г.М. Обзор взаимосвязей структура-свойство поверхностей, сопротивляющихся адсорбции белка.Ленгмюр. 2001; 17: 5605–20.

    Артикул Google ученый

  • Хук Ф., Родаль М., Касемо Б., Бжезинский П. Структурные изменения гемоглобина при адсорбции на твердых поверхностях: влияние рН, ионной силы и связывания лиганда. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998; 95:12271–6.

    Артикул Google ученый

  • Кауфман Э.Д., Белиа Дж., Джонсон М.С., Николсон З.М., Рикс Дж.Л., Шах П.К. и др.Исследование адсорбции белка на стабилизированных меркаптоундекановой кислотой золотых наночастицах и поверхностях с помощью микровесов кристаллов кварца и измерений дзета-потенциала. Ленгмюр. 2007; 23:6053–62.

    Артикул Google ученый

  • Тан К., Сюй К., Ши С. К., Чжоу Л. М. Формирование и характеристика белковых рисунков на поверхностях с различными свойствами. Синт Мет. 2004; 147: 247–52.

    Артикул Google ученый

  • Ван Ю., Чжан З., Джейн В., Йи Дж., Мюллер С., Соколов Дж. и др.Потенциометрические сенсоры на основе поверхностного молекулярного импринтинга: обнаружение биомаркеров рака и вирусов. Sensor Actuat B-Chem. 2010;146:381–7.

    Артикул Google ученый

  • Chung CJ, Chen YC, Cheng CC, Wang CM, Kao KS. Превосходные двухмодовые резонансы для твердотельных резонаторов 1/4 λ, Международный симпозиум IEEE по управлению частотой, 2008 г., май 2008 г. Гонолулу: IEEE; 2008. с. 250.

    Google ученый

  • Беги М.Г.Акустические волны — от микроприборов до гелиосейсмологии. ИНТЕХ. 2011;14:501.

    Google ученый

  • Линк М., Шрайтер М., Вебер Дж., Примиг Р., Питцер Д., Габл Р. Прочно смонтированные объемные пленочные акустические резонаторы с режимом сдвига ZnO для датчиков в жидкостях. IEEE Trans Ultrason Ferrolectr Freq Control. 2006; 53: 492–6.

    Артикул Google ученый

  • Yan Z, Zhou XY, Pang GKH, Zhang T, Liu WL, Cheng JG и др.Объемный пленочный акустический резонатор на основе ZnO для высокочувствительных биосенсоров. Appl Phys Lett. 2007;90:143503-1–3.

    Google ученый

  • Weber J, Albers WM, Jussipekka T, Mathias L, Reinhard G, Wersing W, et al. FBAR в режиме сдвига как высокочувствительные жидкостные биосенсоры. Сенсор Активация A-Phys. 2006; 128:84–88.

    Артикул Google ученый

  • Вингквист Г., Бьюрстрем Дж., Лильехольм Л., Янчев В., Катарджиев И.Работа тонкопленочного электроакустического резонансного датчика AlN в режиме сдвига в вязких средах. Sensor Actuat B-Chem. 2007; 123:466–73.

    Артикул Google ученый

  • Матиас Л., Вебер Дж., Шрайтер М., Версинг В., Эльмазриа О., Алнот П. Чувствительные характеристики высокочастотных резонаторов сдвиговой моды в растворах глицерина. Sensor Actuat B-Chem. 2007; 121: 372–8.

    Артикул Google ученый

  • Вингквист Г., Андерсон Х., Леннартссон С., Вайсбах Т., Янчев В., Спец А.Л.О применимости высокочастотного биозондирования в акустическом сдвиговом режиме с учетом ограничений по толщине, налагаемых пленочным резонансом. Биосенс ​​Биоэлектрон. 2009; 24:3387–90.

  • Leave a Reply

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    2019 © Все права защищены.