狹縫波導(dǎo)硅基微環(huán)生物傳感器特性分析

高　亮，王卓然，袁國(guó)慧，王　維，林志遠(yuǎn)

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院　電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610054)

0　引言

光學(xué)傳感器在如醫(yī)學(xué)藥品分析、食品安全控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。和有標(biāo)記光學(xué)傳感技術(shù)相比，無(wú)標(biāo)記光學(xué)傳感方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，因此定量的進(jìn)行無(wú)標(biāo)記探測(cè)近年來(lái)已引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。至今，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了多種無(wú)標(biāo)記光學(xué)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(diǎn)，如尺寸較大、制作困難等。

基于消逝場(chǎng)傳感的微環(huán)傳感器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳感靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，回音壁諧振效應(yīng)等效于延長(zhǎng)了傳感長(zhǎng)度，可使器件結(jié)構(gòu)微型化，易于實(shí)現(xiàn)傳感器陣列；同時(shí)器件高品質(zhì)因子的特點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)高的探測(cè)性能，因此微環(huán)傳感器具有極其廣闊的應(yīng)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝，可達(dá)到實(shí)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(xué)Lipson課題組提出了狹縫波導(dǎo)[4]的概念，并指出其可應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。2008年，康奈爾大學(xué)Jacob T．Robinson等報(bào)道了用于氣體探測(cè)的狹縫波導(dǎo)傳感器[5]，由于光場(chǎng)被限制在充滿待測(cè)物質(zhì)的低折射率狹縫區(qū)域，可使光和物質(zhì)之間的相互作用顯著增強(qiáng)，靈敏度也隨之提高到490 nm/RIU量級(jí)。

文中集中了狹縫波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔各自的優(yōu)勢(shì)，研究了基于SOI材料的垂直狹縫波導(dǎo)的高靈敏度微環(huán)傳感器，分析了包括微環(huán)耦合區(qū)長(zhǎng)度、耦合間距、側(cè)向失配量、非對(duì)稱系數(shù)等在內(nèi)的關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)器件傳感性能的影響，并利用時(shí)域有限差分法(FDTD)對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的計(jì)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(dǎo)的微環(huán)傳感器

普通的微環(huán)傳感器(Ring Resonator Biosensor， RRB)的探測(cè)性能并不十分理想，尤其是靈敏度不是非常高。通常有兩個(gè)途徑來(lái)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(zhì)因子，增加傳感系統(tǒng)的信噪比；另一種方法是通過(guò)增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用，增加諧振波長(zhǎng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖1所示，包括了兩個(gè)半圓環(huán)的波導(dǎo)以及兩個(gè)水平耦合的直波導(dǎo)，微環(huán)的半徑大約為5 μm，器件波導(dǎo)均為狹縫波導(dǎo)。通過(guò)對(duì)狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確定了狹縫波導(dǎo)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，加狹縫波導(dǎo)結(jié)果即當(dāng)狹縫兩側(cè)的硅波導(dǎo)寬度W2為210 nm，狹縫的高度H為220 nm，狹縫寬度W1為100 nm時(shí)，狹縫區(qū)域的功率與入射功率之比可以達(dá)到最大值，如圖2所示，光場(chǎng)主要被限制在狹縫區(qū)域，硅波導(dǎo)中光場(chǎng)很弱。待測(cè)流體(可為液體或氣體)從SWRRB的上包層流過(guò)。

(a)基于SOI的狹縫波導(dǎo)微環(huán)傳感器圖

(b)傳感器截面圖

圖2　狹縫波導(dǎo)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

采用時(shí)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(guān)鍵參數(shù)對(duì)傳感性能的影響，包括了微環(huán)諧振腔的耦合長(zhǎng)度、耦合間距、側(cè)向失配量、非對(duì)稱系數(shù)等。

1．1微環(huán)諧振腔耦合區(qū)長(zhǎng)度的優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化，將微環(huán)諧振腔半徑設(shè)為5 μm，微環(huán)諧振腔的耦合長(zhǎng)度Lc初始值為0 μm、耦合間距G初始值為100 nm、側(cè)向失配量DL初始值為0 nm、非對(duì)稱系數(shù)A初始值為0.5。

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

圖3　不同耦合長(zhǎng)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(dāng)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(yīng)曲線，當(dāng)G選在60～70 nm時(shí)，傳感器具有較高的品質(zhì)因子，但是輸出功率??；當(dāng)G在90～120 nm時(shí)，傳感器輸出功率變大，但是同時(shí)消光比變低、品質(zhì)因子減小，說(shuō)明G不宜過(guò)大或過(guò)?。恢挥挟?dāng)G為80 nm時(shí)，傳感器的透射譜具有很高的消光比、品質(zhì)因子高，同時(shí)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(cè)向失配量的優(yōu)化

由于環(huán)形腔在彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)結(jié)合處的光模式并不匹配，因此引入側(cè)向失配量DL的概念，delta是半微環(huán)波導(dǎo)與側(cè)向耦合區(qū)波導(dǎo)之間的一個(gè)水平偏移量。當(dāng)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(yīng)曲線(圖5)。當(dāng)DL在-5 nm時(shí)，傳感器的輸出功率最大；當(dāng)DL為10 nm時(shí)，傳感器的透射譜具有很高的消光比，但是輸出功率較??；當(dāng)DL繼續(xù)增加的時(shí)候，光耦合損耗進(jìn)一步加大，輸出功率進(jìn)一步減小。因此將傳感器的側(cè)向失配量選為-5 nm．

圖5　不同側(cè)向失配量條件下的透射譜

(a)狹縫波導(dǎo)微環(huán)傳感器的模場(chǎng)圖

(b)不同NaCl溶液的折射率與傳感器諧振峰位置之間的關(guān)系

通過(guò)以上的模擬優(yōu)化，得到一種SWRRB的結(jié)構(gòu)，利用FDTD方法分析了器件的模場(chǎng)圖，光從圖6(a)左上角直波導(dǎo)側(cè)入射，滿足諧振條件的光從右下方直波導(dǎo)輸出。通過(guò)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(zhì)之間的相互作用大大加強(qiáng)。為了進(jìn)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(guò)傳感器的上包層，同時(shí)觀測(cè)輸出波導(dǎo)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(cè)流體的條件下，傳感器響應(yīng)曲線的諧振峰位置與NaCl溶液折射率之間的關(guān)系。數(shù)值分析結(jié)果表明，在對(duì)上述幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，靈敏度達(dá)到594 nm/RIU左右，品質(zhì)因子Q為430，自由光譜范圍(FSR)為25.6 nm．此SWRRB對(duì)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(zhǔn)TE模被很好的限制在狹縫區(qū)域，導(dǎo)致光和物質(zhì)之間的相互作用大大增強(qiáng)，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(duì)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(zhì)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(dǎo)的存在，光波的模場(chǎng)并不是中心對(duì)稱的，因此可以從這點(diǎn)入手對(duì)SWRRB再次優(yōu)化，這里引入了非對(duì)稱系數(shù)的概念，非對(duì)稱系數(shù)A(0

2　結(jié)語(yǔ)

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(wú)標(biāo)記SWRRB，數(shù)值分析表明，這種微環(huán)單狹縫傳感器在耦合長(zhǎng)度為3 μm、耦合間距為80 nm、側(cè)向失配量為-5 nm、非對(duì)稱系數(shù)為0.5時(shí)，傳感器的靈敏度大小可達(dá)594 nm/RIU，自由光譜范圍為25.6 nm，品質(zhì)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(xué)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(wú)標(biāo)記探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因此將在生物分子探測(cè)和有害氣體探測(cè)方面具有很高的理論研究、實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

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圖7　不同非對(duì)稱系數(shù)下傳感器輸出響應(yīng)曲線

圖8　非對(duì)稱系數(shù)為0.7時(shí)傳感器的模場(chǎng)分布圖

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圖9　NaCl溶液的折射率與傳感器諧振峰位置之間的關(guān)系

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