高　亮，王卓然，袁國慧，王　維，林志遠

(電子科技大學光電信息學院　電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都　610054)

0　引言

光學傳感器在如醫(yī)學藥品分析、食品安全控制、環(huán)境監(jiān)測等諸多領域具有廣泛的應用前景。和有標記光學傳感技術相比，無標記光學傳感方式具有結構簡單、成本低廉、可在線監(jiān)測等優(yōu)勢，因此定量的進行無標記探測近年來已引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。至今，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了多種無標記光學生化傳感器，如MZI傳感器[1]，表面等離子體傳感器[2]等，但由于傳感原理的不同，上述傳感器具有各自固有的缺點，如尺寸較大、制作困難等。

基于消逝場傳感的微環(huán)傳感器，具有結構緊湊、傳感靈敏度高等優(yōu)勢，回音壁諧振效應等效于延長了傳感長度，可使器件結構微型化，易于實現(xiàn)傳感器陣列；同時器件高品質因子的特點有利于實現(xiàn)高的探測性能，因此微環(huán)傳感器具有極其廣闊的應用前景。在絕緣體上硅片(Silicon-on-Isolator，SOI)材料上制作微環(huán)諧振腔利用了現(xiàn)有的超大規(guī)模集成電路互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝，可達到實現(xiàn)批量生產(chǎn)、顯著降低器件成本的目的，目前微環(huán)傳感器的靈敏度大概為70nm/RIU[3]左右。

2004年，康奈爾大學Lipson課題組提出了狹縫波導[4]的概念，并指出其可應用于傳感領域。2008年，康奈爾大學Jacob T．Robinson等報道了用于氣體探測的狹縫波導傳感器[5]，由于光場被限制在充滿待測物質的低折射率狹縫區(qū)域，可使光和物質之間的相互作用顯著增強，靈敏度也隨之提高到490 nm/RIU量級。

文中集中了狹縫波導與微環(huán)諧振腔各自的優(yōu)勢，研究了基于SOI材料的垂直狹縫波導的高靈敏度微環(huán)傳感器，分析了包括微環(huán)耦合區(qū)長度、耦合間距、側向失配量、非對稱系數(shù)等在內的關鍵幾何參數(shù)對器件傳感性能的影響，并利用時域有限差分法(FDTD)對器件結構進行了詳盡的計算，指明了在不同參量變化情況下器件傳感性能優(yōu)化的途徑。

1　基于單狹縫波導的微環(huán)傳感器

普通的微環(huán)傳感器(Ring Resonator Biosensor， RRB)的探測性能并不十分理想，尤其是靈敏度不是非常高。通常有兩個途徑來提高器件的性能：一種方法是盡量減小器件彎曲與傳輸損耗，從而提高傳感器的品質因子，增加傳感系統(tǒng)的信噪比；另一種方法是通過增強光與物質之間的相互作用，增加諧振波長的漂移量，提高傳感器的靈敏度。文中從后者入手，研究了一種基于SOI的垂直狹縫波導微環(huán)傳感器(Slot-Waveguide based Ring Resonator Biosensor，SWRRB)，該跑道型微環(huán)傳感器的結構如圖1所示，包括了兩個半圓環(huán)的波導以及兩個水平耦合的直波導，微環(huán)的半徑大約為5 μm，器件波導均為狹縫波導。通過對狹縫波導結構的優(yōu)化，確定了狹縫波導的最優(yōu)結構參數(shù)，加狹縫波導結果即當狹縫兩側的硅波導寬度W2為210 nm，狹縫的高度H為220 nm，狹縫寬度W1為100 nm時，狹縫區(qū)域的功率與入射功率之比可以達到最大值，如圖2所示，光場主要被限制在狹縫區(qū)域，硅波導中光場很弱。待測流體(可為液體或氣體)從SWRRB的上包層流過。

(a)基于SOI的狹縫波導微環(huán)傳感器圖

(b)傳感器截面圖

圖2　狹縫波導電場強度分布圖

采用時域有限差分(FDTD)的方法分析并優(yōu)化了SWRRB器件幾何形狀的關鍵參數(shù)對傳感性能的影響，包括了微環(huán)諧振腔的耦合長度、耦合間距、側向失配量、非對稱系數(shù)等。

1．1微環(huán)諧振腔耦合區(qū)長度的優(yōu)化

為了實現(xiàn)傳感器的微型化，將微環(huán)諧振腔半徑設為5 μm，微環(huán)諧振腔的耦合長度Lc初始值為0 μm、耦合間距G初始值為100 nm、側向失配量DL初始值為0 nm、非對稱系數(shù)A初始值為0.5。

首先分析了在不同耦合區(qū)長度Lc的條件下傳感器的輸出響應曲線(圖3)，發(fā)現(xiàn)當Lc為0～2 μm時，傳感器輸出功率大，但是消光比低、品質因子??；當Lc為4～5 μm時，傳感器輸出功率很小，說明此時耦合進微環(huán)諧振腔的功率較低，不利于探測；當Lc為3 μm時，傳感器輸出功率大、品質因子高，此時傳感器具有很好的傳感特性。

圖3　不同耦合長度條件下的透射譜

1．2微環(huán)諧振腔耦合間距的優(yōu)化

當Lc固定為3 μm后，分析了在不同的耦合間距G下傳感器的性能特性，圖4是在不同G的條件下傳感器輸出端口的響應曲線，當G選在60～70 nm時，傳感器具有較高的品質因子，但是輸出功率?。划擥在90～120 nm時，傳感器輸出功率變大，但是同時消光比變低、品質因子減小，說明G不宜過大或過小；只有當G為80 nm時，傳感器的透射譜具有很高的消光比、品質因子高，同時輸出功率大。因此將傳感器的耦合間距定為80 nm．

圖4　不同耦合間距條件下的透射譜

1．3微環(huán)諧振腔側向失配量的優(yōu)化

由于環(huán)形腔在彎曲波導和直波導結合處的光模式并不匹配，因此引入側向失配量DL的概念，delta是半微環(huán)波導與側向耦合區(qū)波導之間的一個水平偏移量。當Lc與G分別固定為3μm和80 nm后，分析了在不同DL的情況下傳感器的輸出端口的響應曲線(圖5)。當DL在-5 nm時，傳感器的輸出功率最大；當DL為10 nm時，傳感器的透射譜具有很高的消光比，但是輸出功率較?。划擠L繼續(xù)增加的時候，光耦合損耗進一步加大，輸出功率進一步減小。因此將傳感器的側向失配量選為-5 nm．

圖5　不同側向失配量條件下的透射譜

(a)狹縫波導微環(huán)傳感器的模場圖

(b)不同NaCl溶液的折射率與傳感器諧振峰位置之間的關系

通過以上的模擬優(yōu)化，得到一種SWRRB的結構，利用FDTD方法分析了器件的模場圖，光從圖6(a)左上角直波導側入射，滿足諧振條件的光從右下方直波導輸出。通過圖6(a)可以看出光功率主要被限制在狹縫區(qū)域，這使得光和物質之間的相互作用大大加強。為了進一步分析器件性能，我們讓不同濃度的氯化鈉(NaCl)溶液[6]流過傳感器的上包層，同時觀測輸出波導端口的光功率大小。圖6(b)表明在不同濃度的NaCl溶液作為待測流體的條件下，傳感器響應曲線的諧振峰位置與NaCl溶液折射率之間的關系。數(shù)值分析結果表明，在對上述幾何參數(shù)進行優(yōu)化設計后，靈敏度達到594 nm/RIU左右，品質因子Q為430，自由光譜范圍(FSR)為25.6 nm．此SWRRB對比傳統(tǒng)的微環(huán)傳感器(典型的靈敏度約為70 nm/RIU)，靈敏度提高了近8倍。性能提高的主要原因是由于狹縫區(qū)域的存在，使得準TE模被很好的限制在狹縫區(qū)域，導致光和物質之間的相互作用大大增強，從而顯著地提高了器件的傳感性能。

1．4微環(huán)諧振腔非對稱系數(shù)的優(yōu)化

雖然上述傳感器的靈敏度很高，但輸出端口的功率與品質因子并不是很高。在研究中發(fā)現(xiàn)，由于微環(huán)諧振腔彎曲波導的存在，光波的模場并不是中心對稱的，因此可以從這點入手對SWRRB再次優(yōu)化，這里引入了非對稱系數(shù)的概念，非對稱系數(shù)A(0

2　結語

從器件幾何參數(shù)優(yōu)化的角度出發(fā)研究了基于SOI的無標記SWRRB，數(shù)值分析表明，這種微環(huán)單狹縫傳感器在耦合長度為3 μm、耦合間距為80 nm、側向失配量為-5 nm、非對稱系數(shù)為0.5時，傳感器的靈敏度大小可達594 nm/RIU，自由光譜范圍為25.6 nm，品質因子為430，比傳統(tǒng)的微環(huán)傳感器的靈敏度提高將近8倍。這種光學傳感器件與其他傳感器相比，具有尺寸微小、靈敏度高、與CMOS工藝兼容、無標記探測等優(yōu)點，因此將在生物分子探測和有害氣體探測方面具有很高的理論研究、實用價值和廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]DENSMORE A．A silicon-on-insulator photonic wire based evanescent field sensor．IEEE Photonics Technology，etters，2006，18(23)：2520-2522．

[2]NEMOVA G，KASHYAP R．Theoretical model of a planar integrated refractive index sensor based on surface plasmon-polariton excitation with a long period grating．Optical Society of America，2007，24：2696-2701．

圖7　不同非對稱系數(shù)下傳感器輸出響應曲線

圖8　非對稱系數(shù)為0.7時傳感器的模場分布圖

[3]DE VOS K，BARTOLOZZI I，SCHACHT E，et al．Silicon-on-insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing．Optics Express，2007，15(12)：7610-7615．

圖9　NaCl溶液的折射率與傳感器諧振峰位置之間的關系

[4]JACOB T R，CHE L，MICHAL．On-chip gas detection in silicon optical microcavities．Optics Express，2008，16(6)．

[5]XU Q F，VILSO R A，ROBERTO R P，et al．Experimental demonstration of guiding and confining light in nanometer-size low-refractive-index material．Optics，etters，2004，29(14 )．

[6]SU H，HUANG X G．Fresnel-reflection-based fiber sensor for on-line measurement of solute concentration in solutions．Sensors and Actuators B-Chemical，2007，126：579-582．