Теплофизические измерения
621.372.8.029.7:«81.S86.36
Датчик температуры на основе щелевого 
волновода с жидкокристаллическим заполнением
и. А. ГОНЧАРЕНКО*, В. П. КИРЕЕНКО**
* Командно-инженерный институт МЧС Республики Беларусь, Минск, Беларусь,
e-mail: igor02@tut.by
** Белорусский Национальный технический университет, Минск, Беларусь
Рассмотрены методы построения и принципы функционирования быстродействующего оптического дат­
чика для измерений небольших температурных вариаций с высокой точностью, основанного на кольцевых 
резонаторах микрометровых размеров, выполненных из волноводов с одной или несколькими щелями, заполнен­
ными жидким кристаллом.
Ключевые слова: кольцевой микрорезонатор, щелевой волновод, оптический датчик, жидкий кристалл, 
эффективный показатель преломления.
The design methods and operation principles of high speed optical sensor for precise measurement of small temperature 
variations based on micron size ring resonators made from waveguides with one or two slots filled by liquid crystal are 
considered.
Key words: ring microresonator, slot waveguide, optical sensor, liquid crystal, effective refraction index.
В настоящее время активно развиваются автоматизиро­
ванные системы контроля и управления технологическими 
лроцессами и устройствами. Для таких систем необходимы 
быстродействующие первичные измерительные преобразо­
ватели, способные отслеживать в реальном времени и с 
большой точностью небольшие отклонения параметров про­
цессов, в том числе и температурные изменения. Высоко­
чувствительные быстродействующие датчики температуры 
также являются важными элементами систем противопо­
жарной сигнализации и аварийной защиты. Кроме высоких 
метрологических характеристик, первичные измерительные 
преобразователи должны обладать высокой надежностью, 
долговечностью, стабильностью, малыми габаритными раз­
мерами, массой и энергопотреблением, совместимостью с 
микроэлектронными устройствами обработки информации. 
Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют 
волоконные и интегрально-оптические устройства [1]. В ка­
честве сенсоров интегральные оптические устройства име­
ют большие преимущества, так как отличаются малыми раз­
мерами, высокими чувствительностью и степенью интегра­
ции [2]. В частности, планарные волноводные устройства 
позволяют измерять небольшие изменения показателя пре­
ломления веществ.
В [3] предложен новый тип волноводных устройств — так 
называемый щелевой волновод (ЩВ). Он состоит из двух 
полосок материала с высоким показателем преломления, 
разделенных областью с низким показателем преломления 
(щелью), размеры которой меньше длины волны. Посколь­
ку электрические поля неразрывны на границе раздела ма­
териалов с разными показателями преломления, в щеле­
вой области можно достичь большой оптической интенсив­
ности [4]. Это свойство делает ЩВ весьма перспективными 
для применения в качестве сенсоров [5, 6]. Щель в таком 
волноводе можно заполнить веществом, чувствительным к 
определенному параметру, и тем самым увеличить чувстви­
тельность датчика. На основе ЩВ разработаны и экспери­
ментально исследованы химические и биохимические дат­
чики [5, 7]. В [8] в качестве сенсоров предложено использо­
вать волноводы с двойной щелью. Как оказалось, микроре­
зонаторы на основе таких волноводов более устойчивы к 
несовершенствам изготовления, чем волноводы с одной 
щелью.
Показатель преломления жидких кристаллов (ЖК) — весь­
ма интересный и полезный с точки зрения практики пара­
метр. В ряде оптических устройств (модуляторах света, дисп­
леях) показатель преломления ЖК изменяется наведенным 
электрическим полем, кроме того, на него влияют длина вол­
ны светового излучения и особенно температура [9, 10].
Структурная схема и принципы функционирования дат­
чика. Волноводный кольцевой микрорезонатор представ­
ляет собой замкнутый оптический волновод с радиусом из­
гиба порядка десятка микрометров [11]. Волновод располо­
жен на диэлектрической подложке. Чтобы обеспечить пол­
ное внутреннее отражение, между волноводом и подлож­
кой расположен буферный слой с показателем преломле­
ния меньшим, чем у волновода. Ввод и вывод оптических 
сигналов в микрорезонатор осуществляются при помощи 
прямых оптических волноводов, которые связаны с кольце­
вым волноводом через спадающие поля и расположены на 
той же подложке. Поперечное сечение кольцевого микро­
резонатора на ЩВ показано на рис. 1.
В качестве источника оптического излучения оптималь­
но использовать полупроводниковый лазер, например 
9п
1
М  II I н
ЖК
"\\S u N3 ''‘4\
I І п  м
Буф ерны й  слой Si02
Подлож ка Si
Рис. 1. Поперечное сечение кольцевого микрорезонатора 
на щ елевых волноводах:
w ,^ w ,^ —  ширина левой, средней и правой кольцевых полосок;
—  ширина левой и правой щелей; 1 ,2 —  параллельные поло­
сы соответственно входного и выходного волноводов
Измерительная техника № 5,2013 27
Теплофизические измерения
FU-68PDF-V510M, с выходной оптической мощностью 15 мВт 
на длине волны 1,5 мкм. Оптическое излучение на выходе 
из кольцевого резонатора измеряется фотоприемником, на­
пример, р/п-фотодиодом ФД161 на основе соединения InGaAs. 
Чувствительность по току такого фотодиода на рабочей дли­
не волны 1,5 мкм не менее 0,8 А/Вт, темновой ток не более 
20 нА [12]. Жидкий кристалл заполняет щель кольцевого вол­
новода, а также может окружать его боковые поверхности.
Микрорезонатор имеет набор резонансных длин волн. 
Излучение, распространяющееся по входному волноводу на 
длинах волн, совпадающих с резонансными, поступает в коль­
цевой волновод. Оставщаяся часть излучения на других дли­
нах волн распространяется дальше, практически не ответв­
ляясь в микрорезонатор. Ответвленное в кольцевой волно­
вод излучение переходит из него в выходной волновод. Та­
ким образом, в выходной волновод поступает излучение уз­
ких спектральных диапазонов, центральные длины волн 
которых соответствуют резонансным длинам волн микроре­
зонатора. Ширина этих диапазонов задается коэффициен­
том связи кольцевого и прямых волноводов, а также пара­
метрами самого микрорезонатора. Любые изменения оп­
тической длины резонатора L n ^ , где L — геометрическая 
длина резонатора, — эффективный показатель прелом­
ления волновода, приводят к изменению его резонансной 
длины волны. В результате интенсивность выходного сигна­
ла на несущей длине волны, совпадающей с резонансной 
длиной волны невозмущенного резонатора, изменяется.
Одним из основных факторов, приводящим к существен­
ному изменению оптической длины резонатора, является 
температура. Ее изменение вызывает расширение матери­
ала, т. е. изменение длины резонатора
d R - U jR  ĆT, ( 1)
где R — радиус резонатора; — температурный коэффи­
циент линейного расширения (ТКЛР) материала.
Одновременно с повышением температуры изменяется 
показатель преломления материала волновода, что связа­
но как с ТКЛР материала, так и с вариациями ширины поло­
сы электронной области поглощения [13, 14]:
2 л ^  = (п- 1] 3 a j S - - ^
d£n
dT = GS + HS‘^ (2)
где n — показатель 
преломления матери­
ала волновода при 
комнатной темпера­
туре, dnIdT — его ва­
риации с температу­
рой; А-п — центральная 
длина волны, соответ­
ствующая энергии 
пика поглощения £  ;
нор-
Рис. 2. Температурная чувствитель­
ность датчика на основе полоскового 
(кривые 1, V), щелевого (2, 2') и двой­
ного щ елевого (3, 3') волноводов с 
ЖК-заполнением при радиусах резо­
натора 16 и 32 мкм, соответственно 
сплошные и щтриховые линии
мализованная длина 
волны; G, Н — коэф­
фициенты, связанные 
соответственно с ТКЛР 
и температурным ко­
эффициентом шири­
ны зоны поглощения.
которые определяются для различных стекол на основе 
экспериментальных измерений [15].
Принцип работы датчика основан на изменении волно- 
водных свойств ЩВ и, как следствие, резонансных условий 
микрорезонатора в зависимости от показателя преломле­
ния ЖК, заполняющего щель. Поперечные размеры щели 
порядка 100—200 нм, поэтому молекулы ЖК располагаются 
таким образом, что его показатели преломления будут от­
личаться в поперечном и продольном направлениях 
(по длине волновода). Поскольку показатель преломления 
ЖК зависит от температуры, ее изменение приводит к вари­
ациям эффективного показателя преломления ЩВ, причем 
в области щели его поле моды достаточно интенсивно [16]. 
Таким образом, изменение показателя преломления в об­
ласти щели оказывает резкое влияние на свойства ЩВ. 
В этом проявляется его преимущество перед обычным по­
лосковым волноводом.
Расчет поля мод и оптимизация конструкции датчика.
Эффективный показатель преломления и распределение 
полей мод изогнутых щелевых волноводов с ЖК-заполне- 
нием рассчитывали по методу линий [17], модифицирован­
ному для исследуемой структуры. Изменение показателей 
преломления ЖК от температуры Т определяли по форму­
лам [8]:
л ,(Г ) = Л ;+ 6 ^ ( 1 -Т /Т / ;  n J T ) ^ n - G ^ { ^ - T IT f l2 ,  (3)
где л, — показатель преломления ЖК в изотропном состоя­
нии; Gg Q — коэффициенты пропорциональности для соот­
ветствующих волн; 7g — температура просветления; р — па­
раметр, зависящий от молекулярной структуры ЖК; для 
ЖК 5СВ эти параметры следующие: п, = 1,5865; = 309,3 К;
Р = 0,1375; Gg = 0,1914; Gg = 0,1942.
Чтобы сравнить чувствительности датчиков, построенных 
на волноводах различных типов, общие размеры диэлект­
рических составляющих волноводов и щелей с ЖК-запол- 
нением при расчетах выбирали одинаковыми: ширина по­
лоскового волновода составляла 1000 нм; ширина левой 
и правой iVg полосок (см. рис. 1) 500 нм; ширина щели с 
ЖК-заполнением 100 и 200 нм; в волноводе с двумя щелями 
ширина левой и правой щелей 100 нм. Поскольку чув­
ствительность датчиков на базе двухщелевого волновода 
зависит от соотношения размеров его частей [8], для срав­
нения был проведен расчет волновода с шириной левой 
и правой Wg боковых полосок 300 нм, средней полоски (раз­
несением щелей) Wg = 400 нм, а также волновода с w^ = w  ^= 
= 400 нм и Wg = 200 нм. Высота полосок составляла 300 нм. 
Расчет выполнен для волноводов из ЗізМ4 , нанесенных на 
буферный слой ЗІОз, расположенный на кремниевой под­
ложке. Использование ЗідМ^ для изготовления полосок ЩВ 
позволяет увеличить размеры щели и в итоге упростить ее 
заполнение ЖК [5]. Длина волны оптического излучения равна 
1550 нм. При расчетах не учитывали потери в волноводе при 
вводе — выводе оптического излучения, а также потери на 
поглощение.
Как следует из расчетов, эффективный показатель пре­
ломления ЩВ с одной и двумя щелями меняется значитель­
но больше по сравнению с обычным полосковым волново­
дом. Это объясняется тем, что вариации показателя пре­
ломления ЖК при изменении температуры сильнее, чем
28 Измерительная техника № 5,2013
Теплофизические измерения
материала, из которого изготовлен волновод. При этом лоле 
моды в области щели и изменение локазателя лреломле- 
ния ЖК в этой области существенно влияют на свойства тако­
го волновода. В лолосковом же волноводе ЖК раслоложен 
только в окружении волновода; лоля мод, налравляемых 
волноводом, резко сладают и незначительны.
Проанализируем влияние параметров волновода и ре­
зонатора на чувствительность и диалазон измерений датчи­
ка. Зависимость силы тока фотолриемника на выходе коль­
цевого резонатора на основе лолоскового и щелевых волно­
водов с ЖК-залолнением лри различных радиусах резона­
тора от температуры можно оценить по рис. 2 и табл. 1. 
Сллошные кривые 1—3 на рис. 2 относятся к датчикам 
с радиусом резонатора R = 1 6  мкм, щтриховые 1'— 3 ’ — с 
R -  32 мкм. Коэффициенты связи между лодводящими и 
кольцевым волноводами равны 0,5. Кривые 1, 1' лредстав- 
ляют чувствительность ло току датчиков на основе лолоско­
вого волновода, 2, 2 '— ЩВ с шириной щели 200 нм, 3, 3' — 
двойного ЩВ с шириной щелей 2x100 нм и их разнесением 
в 400 нм. Как следует из рис. 2 и табл. 1, лри увеличении R 
возрастает темлературная чувствительность всех волновод­
ных датчиков. Однако температурный диапазон, в котором 
наблюдается высокая чувствительность, сужается и смеща­
ется в область меньших температур. Так, датчик на основе 
двухщелевого волновода с радиусом резонатора 16 мкм 
имеет чувствительность лорядка 0,45 мА/°С в диалазоне от 
-23 до -8  °С и всего лишь 0,06 мАГС в диалазоне 12—35 °С, 
что сравнимо с чувствительностью датчика на основе лолос­
кового волновода.
Т а б л и ц а  1
Чувствительность датчика по току в зависимости от радиуса 
резонатора
Тип волновода
Р а д и ус  
резонатора 
R, мкм
Д и а п а зо н  
тем пе р атур , “ С
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь  
по  току, м А Л С
Полосковый
16
32
-1 0  . . +32 
-1 5  . . +18
0,09
0,20
Щелевой 16
32
0 .. 28 
-1 8  .. +2 
10 . . 35
0,16 
от 0,26 
до 0,14
Двойной щ е­
левой
16
32
-2 3  . . - 8  
12 . . 35 
-2 7  . . -18  
20 . . 32
от 0,45 
до 0,06 
от 0,89 
до нуля
Чувствительность к изменению темлературы (локазате­
ля преломления) кольцевого микрорезонатора на основе ЩВ 
значительно превышает чувствительность датчика на лолос- 
ковых волноводах. При этом наибольшую чувствительность 
имеют датчики на основе двойного ЩВ. Это обусловлено тем, 
что вариации показателей лреломления и ЖК лри из­
менении температуры значительно превышают изменения 
показателей преломления материала волновода и под­
ложки.
Диапазон измерений и чувствительность датчика темпе­
ратуры можно также менять при помощи коэффициентов 
связи кольцевого и подводящих волноводов микрорезо­
натора [14,16]. На рис. 3 и в табл. 2 показано влияние шири­
ны щели сЖК-заполне- 
нием на чувствитель­
ность датчиков на ос­
нове щелевого (сплош­
ные кривые) и двойно­
го щелевого (штриховые 
линии) волноводов при 
радиусе резонатора 
16 мкм. Кривые 1, 1' 
описывают чувстви­
тельность датчиков на 
основе волноводов ши­
риной 100 нм (д„ = д„ = 
= 50 нм); 2, 2 '— 200 нм 
(9n = Sfn = 100HM); 3, З '— 
300 HM {д^ = = 150 нм).
Разнесение щелей э 
двойном ЩВ для всех 
случаев равно 400 нм.
^вых' “ А
Рис. 3. Температурная чувствитель­
ность датчика на основе щелевого 
(сплошные кривые) и двойного ще­
левого (ш триховые линии) волново­
дов в зависимости от ширины щели 
с ЖК-заполнением:
1, I ' — ширина щели 100 (2 x5 0 )  нм;
2, 2 '— 200 (2x100) нм; 3 , 3 ’ — 300 
(2x150) нм
Т а б л и ц а  2
Чувствительность датчика по току в зависимости 
от ширины щели
Т и п  вол новода
Ш ирина Д и а п а зо н  тем пера- Ч у в с т в и т е л ь -
щ ели , нм тур °С ность  по току,
м А  Г С
100 -1 8  ... +34 0,23
Щ елевой 200 -2  ... +32 0,17
300 -3 0  ... +39 0
2 x 5 0
-2 6  ... -14 от 0,70
10 ... 30 до 0,03
Двойной щ еле-
2 x 1 0 0
-2 3  .. -9 от 0,49
ВОЙ 20 ... 36 до 0,06
2 x1 5 0
-1 9  .. + 1 от 0,33
18 ... 36 до 0,12
Как следует из рис. 3 и табл. 2, увеличение ширины щели 
в волноводах приводит к уменьшению температурной чув­
ствительности датчика с одновременным расширением тем­
пературного диапазона, в котором наблюдается высокая чув­
ствительность. Это можно объяснить тем, что с увеличени­
ем ширины щели уменьшается амплитуда поля волновод­
ных мод в области щели [8].
мА
Т. °С
Рис. 4. Температурная чувствительность датчика на основе двой­
ного щелевого волновода с  разнесением щелей 600 (1), 400 (2) 
и 200 (3) нм
Измерительная техника № 5,2013 29
Теплофизические измерения
Влияние разнесения щелей на темлературную чувстви­
тельность датчика на основе двойного ЩВ с ЖК-залолне- 
нием можно оценить из рис. 4 и табл. 3. Кривые 1—3 отно­
сятся соответственно к волноводам с разнесением щелей 
600,400 и 200 нм. Размеры щелей = 100 нм, R = 16 мкм.
Т а б л и ц а  3
Чувствительность по току датчика на основе двойного 
щелевого волновода в зависимости от разнесения щелей
Р а знесение  щ е л е й ,н м Д и а п а зо н  
те м п е р атур , * 0
Ч у в с тв и те л ь н о с ть  по 
току, м А  Г С
200 - 12  . . +35 0,14
400
-2 3  . . -11 от 0,48
15 . . 36 до 0,05
600
-2 6  ... -16  
>25
о т  0,73 
ДО 0
В соответствии с рис. 4 и табл. 3 увеличение разнесения 
между щелями в двойном ЩВ вызывает ловышение чувстви­
тельности датчика лри уменьшении диалазона наибольшей 
температурной чувствительности и его сдвиг в сторону мень­
ших температур. Чувствительность такого датчика с неболь­
шим разнесением щелей (w^ = 200 нм) лрактически не отли­
чается от чувствительности аналогичного ЩВ (см. рис. 3, 4 и 
табл. 2, 3).
Таким образом, рассмотрены структурная схема и лрин- 
цил работы интегрально-олтического датчика темлературы, 
основанный на ислользовании олтического излучения, что 
позволяет применять датчик для измерения температуры 
легковоспламеняющихся жидкостей и газов, так как к изме­
ряемой среде электрический ток не подается. Применение 
микрорезонаторов на основе ЩВ дает возможность, как по­
казывают проведенные расчеты, более чем на порядок по­
высить чувствительность датчика по сравнению с традици­
онно используемыми интегральными устройствами [18]. Чув­
ствительность по току можно регулировать изменением гео­
метрических размеров и выбором типа резонатора. При этом 
чувствительность выше у датчиков на основе волноводов с 
двумя щелями и большим их разнесением.
Время установления стационарного режима в микро­
резонаторе с R = 32 мкм составляет порядка 50 пс [19]. Та­
ким образом, быстродействие датчика определяется, в ос­
новном, временем температурного обмена между резона­
тором и измеряемой средой. Учитывая микрометровые 
размеры резонатора, это время достаточно мало (порядка 
10“ ®— 1 0^ с/ °С [14]). Датчик может иметь большое число 
чувствительных элементов, что позволяет одновременно 
контролировать температуру в различных точках потока или 
объема вещества.
Верхний предел измеряемой температуры датчиков на 
основе ЖК определяется температурой просветления, ко­
торая для жидкого кристалла 5СВ составляет 39,3 °С. Одна­
ко в настоящее время разработаны ЖК-материалы, анизот­
ропные в температурном интервале от -40  до +110 °С. По­
казатели преломления Пд и у ЖК имеют разную зависи­
мость от температуры. При использовании двух волн с орто­
гональными поляризациями предложенный датчик позво­
ляет получать одновременно две температурные зависимо­
сти, их усреднение повышает точность измерений.
30
Л и т е р а т у р а
1. Гармаш В. Б. и др. Возможности, задачи и перспекти­
вы волоконно-оптических измерительных систем в совре­
менном приборостроении // Фотон-экспресс. 2005. № 6. 
С. 128— 140.
2. Passaro V. М. N. е. а. Guided-wave optical biosensors // 
Sensors. 2007. V. 7. P. 508— 536.
3. Almeida V. R. e. a. Guiding and confining light in void 
nanostructure // Opt. Lett. 2004. V. 29. N 11. P. 1209— 1211.
4. Xu Q. e. a. Experimental demonstration of guiding and 
confining light in nanometer-size low-refractive-index material // 
Opt. Lett. 2004. V. 29. N 14. P. 1626— 1628.
5. Barrios C. A. e. a. Slot-waveguide biochemical sensor // 
Opt. Lett. 2007. V. 32. N 21. P. 3080—3082.
6. Barrios C. A. e. a. Label-free optical biosensing with 
slotwaveguides // Opt. Lett. 2008. V. 33. N 7. P. 708—710.
7. DeirOlio F., Passaro V. M. Optical sensing by optimized 
silicon slot waveguides // Opt. Expr. 2007. V. 15. N 8. P. 4977—4993.
8. Kargar A., Chung-Yen Chao. Design and optimization of 
waveguide sensitivity in slot microring sensors // J. Opt. Soc. 
Am. A. 2011. V. 28. N 4. P. 596—603.
9. Jun Li, Shin-Tson Wu. Extended Cauchy equations for the 
refractive indices of liquid crystals // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. 
N 3. P. 896—901.
10. Беляев Б. A., Дрокин H. A., Шабанов В. Ф. Темпера­
турные исследования диэлектрических характеристик жид­
кого кристалла 5СВ в области релаксации // Физика твердого 
тела. 2005. Т. 47. № 4. С. 738— 741.
11. Little В. Е. е. а. Ultra-compact Si-SiO microring resonator 
optical channel dropping filters // IEEE Photon. Technol. Lett. 
1998. V. 10. P. 549— 551.
12. ФГУП «НПО «Орион» [Офиц. сайт], http://www.onon- 
ir.ru/ru/product3-2.html (дата обращения 06.11.2012 г).
13. Ghosh G. Temperature dispersion of refractive indexes in 
some silicate fiber glasses // IEEE Photon. Technol. Lett. 1994. 
V. 6. N2. P.431 ^ 3 3 .
14. Гончаренко И. A. и др. Цифровой оптический датчик 
для удаленного мониторинга температуры // Измеритель­
ная техника. 2007. №3. С. 54—57; Goncharenko I. А. е. а. 
А digital optical sensor for the remote monitoring of temperature 
// Measurement Techniques. 2007. V. 50. N 3. P. 319—324.
15. Hoffmann H. J., Jochs W. W., Westenberger G. 
Dispersion formula for the thermo-optic coefficient of optical 
glasses // Proc. SPIE. 1990. V. 1327. P. 219—228.
16. Гончаренко И. A., Конойко A. И., Поликанин A. М. Дат­
чик концентрации жидкостей на основе щелевых волновод­
ных микрорезонаторов // Измерительная техника. 2010. Т. 53. 
N° 5. С. 66—69; Goncharenko I. А., Konoiko А. I., Polikanin А. М. 
Liquid concentration sensor based on slot waveguide microreso­
nators // Measurement Techniques. 2010. V. 53. N 5. P. 563—568.
17. Pregla R. The method of lines for the analysis of dielectric 
waveguide bends // J. Lightwave Technol. 1996. V. 14. N4. 
P. 634—639.
18. Иванов E. Интегральные датчики температуры Natio­
nal Semiconductor // Новости электроники. 2007. № 10 (36). 
С. 16— 19.
19. Goncharenko I. А. е. а. Optical broadband analog-digital 
conversion on the base of microring resonator // Opt. Commu­
nications. 2006. V. 257. N 1. P. 54—61.
Дата принятия 12.02.2013 г.
Измерительная техника № 5,2013