硅基片上光電傳感及相關(guān)器件

周治平　鄧清中

摘要：針對(duì)硅基光電子學(xué)在片上光電傳感中的應(yīng)用，分析了硅基片上光電傳感的工作原理，指出該領(lǐng)域的主要研究方向包括：提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本。結(jié)合本課題組的研究成果，總結(jié)了其研究現(xiàn)狀和各研究方向在光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面獲得的諸多進(jìn)展。

關(guān)鍵詞： 硅基光電子學(xué)；片上光電傳感；光電子器件

Abstract： Focusing on the application of silicon photonic on-chip sensing， we point out that enhancing the sensitivity， improving the selectivity， reducing the temperature dependency， and lowering the cost are main research directions of silicon photonic on-chip sensing. The research status and progress in photoelectric sensor structure design are also summarized in this paper.

Key words： silicon photonics； on-chip sensing； photonic devices

硅基光電子學(xué)主要研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)[1]，其具有片上光通信和片上光電傳感兩大主要應(yīng)用。文章中，我們聚焦于“傳感”應(yīng)用，結(jié)合本課題組在硅基片上光電傳感領(lǐng)域的研究成果對(duì)其基本原理以及相關(guān)器件進(jìn)行介紹。

傳統(tǒng)的光電傳感器按結(jié)構(gòu)主要可分為3類：表面等離子體型[2]、光纖型[3]、集成光波導(dǎo)型[4]。表面等離子體型傳感器利用金屬-介質(zhì)界面作為傳感結(jié)構(gòu)，在這一界面橫磁波模式（TM）和金屬表面電子的相互耦合形成一種特殊的電磁表面波模式——表面等離子體激元（SPP），其特點(diǎn)是金屬材料易于吸附生化分子，吸附后會(huì)對(duì)SPP的傳播特性產(chǎn)生顯著影響從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附物的傳感；光纖型光電傳感器以光纖（圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)）為傳感介質(zhì)，其中待傳感物質(zhì)作為包層材料，利用光纖傳輸模式中的倏逝場(chǎng)與包層材料的相互作用實(shí)現(xiàn)傳感；集成光波導(dǎo)型光電傳感器的基本原理與光纖型相同，區(qū)別在于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為平面介質(zhì)波導(dǎo)。文中我們所討論的硅基片上光電傳感器將生物、化學(xué)、物理等各種信息通過器件折射率的變化加載到光波中傳播并最終轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，是集成光波導(dǎo)型和表面等離子體型等光電傳感器的主要發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的光電傳感器，硅基片上光電傳感器具有更高的系統(tǒng)集成度，可以方便地與片上的其他光、電功能器件進(jìn)行傳感系統(tǒng)的單片集成。

1 硅基片上光電傳感原理

硅基片上光電傳感的基本結(jié)構(gòu)為光波導(dǎo)，如條形波導(dǎo)、溝道波導(dǎo)等。不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的傳感性能，但工作原理相同。文中，我們以條形波導(dǎo)為例簡(jiǎn)述其工作原理。硅基條形波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，包括襯底、波導(dǎo)芯區(qū)、上包層。根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論，波導(dǎo)中的導(dǎo)?？梢员硎緸椋?/p>

[E（x，y，z）=Et（x，y）?e-jneffk0z] （1）

式（1）中[E]為光波的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以表達(dá)為橫截面上的強(qiáng)度分布[Et]與傳播方向的相位變化[exp（-jneffk0z）]；[k0=2πλ]為光波在真空中傳播時(shí)的波矢，僅與光波長(zhǎng)[λ]相關(guān)；[neff]是導(dǎo)模的有效折射率?；５腫Et]在波導(dǎo)中的分布如圖1b）所示，光場(chǎng)主要分布在波導(dǎo)芯區(qū)，但也有部分光波分布在襯底和上包層中。因此有效折射率[neff]主要由波導(dǎo)芯區(qū)材料折射率[n芯]決定，同時(shí)也與襯底和包層的材料折射率（[n襯]與[n包]）相關(guān)。在線性近似下，[neff]可表達(dá)為：

由式（1）、（2）可見，波導(dǎo)中任一部分的材料折射率的改變都會(huì)影響其傳播的光導(dǎo)模的相位。原理上，只要能引起波導(dǎo)中材料折射率變化的物理量都可以被傳感。在實(shí)際應(yīng)用中，襯底通常固定為二氧化硅（SiO2），芯區(qū)材料為硅（Si）。通常利用待傳感的物理量去影響上包層的材料折射率來實(shí)現(xiàn)傳感；但待傳感量反映在輸出光波的相位中，而光波的相位無法進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)。因此需要利用干涉或諧振結(jié)構(gòu)來間接監(jiān)測(cè)，其中最具代表性的是圖2a）所示的微環(huán)諧振腔[5-6]。當(dāng)入射光波長(zhǎng)[λ]滿足式（3）時(shí)，微環(huán)內(nèi)將會(huì)發(fā)生諧振。由此可見當(dāng)待傳感量引起[neff]變化時(shí)，諧振波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的漂移。

利用耦合模理論[7]可以進(jìn)一步得出微環(huán)的傳輸譜，如圖2b）所示。傳輸譜的極小值處對(duì)應(yīng)于式（3）中的諧振波長(zhǎng)。諧振波長(zhǎng)隨待傳感量發(fā)生漂移時(shí)，有兩種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)：測(cè)量微環(huán)的傳輸譜，監(jiān)測(cè)諧振波長(zhǎng)的變化情況，稱之為波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)；固定工作波長(zhǎng)在諧振波長(zhǎng)附近，監(jiān)測(cè)輸出光強(qiáng)的變化情況，稱之為強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。

前述理論分析將可引起材料折射率變化的物理量傳感為光波強(qiáng)度或諧振波長(zhǎng)這些可直接監(jiān)測(cè)的物理量。接下來將結(jié)合研究實(shí)例介紹硅基片上光電傳感的幾個(gè)主要的研究方向包括提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本等。

2 提升傳感靈敏度

靈敏度指的是傳感器能夠檢測(cè)到的最小的待傳感量的變化量，它是傳感器的基礎(chǔ)特性。提升靈敏度則依賴于對(duì)器件本身原理的研究。對(duì)于波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，相同待傳感量的變化引起的有效折射率變化量越大則靈敏度越高。根據(jù)式（2）可知，讓光波導(dǎo)模的光場(chǎng)更多地分布在上包層中，即可提升采用上包層進(jìn)行傳感時(shí)的靈敏度。如圖3所示的溝道波導(dǎo)可以將光場(chǎng)主要限制在上包層的溝道區(qū)域內(nèi)，其已被廣泛用于提升傳感靈敏度[8]。此外，本課題組借鑒于游標(biāo)卡尺原理提出了圖4所示的多譜線漂移傳感結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)通過檢測(cè)傳感環(huán)與參考環(huán)“重疊諧振峰”的漂移，其傳感靈敏度相對(duì)于單環(huán)結(jié)構(gòu)提升了100倍，可達(dá)2×10?6折射率單位（RIU）[9]。endprint

對(duì)于強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，除可類似于波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)通過提升有效折射率隨待傳感量的變化率來提升靈敏度外，還可通過提升微環(huán)諧振波長(zhǎng)附近傳輸譜線的斜率來提升靈敏度。采用如圖5a）所示結(jié)構(gòu)，由波導(dǎo)端面反射而產(chǎn)生的光場(chǎng)在直波導(dǎo)中形成法布里-珀羅（FP）諧振，其會(huì)和環(huán)形諧振腔中的諧振相互耦合，將原有環(huán)形諧振腔中的相位反饋到諧振當(dāng)中，形成Fano諧振。具有Fano諧振特點(diǎn)的譜線具有非對(duì)稱的譜線分布，一側(cè)譜線的斜率將大幅增加，其傳感靈敏度可達(dá)10-8 RIU [10]。采用如圖5b）所示結(jié)構(gòu)，將微環(huán)嵌入馬赫曾德干涉儀（MZI）干涉結(jié)構(gòu)中可以增加傳輸譜斜率[11]。兩種結(jié)構(gòu)的傳感靈敏度分別可以達(dá)到～1.17×10-7 RIU和～4.9×10-8 RIU。

3 增加傳感選擇性

前文提及的所有研究在傳感時(shí)都不具有選擇性，即所有能引起上包層材料折射率變化的物理量都會(huì)反映在最終的傳感輸出信號(hào)中且不能區(qū)分各個(gè)物理量對(duì)輸出信號(hào)的貢獻(xiàn)比例。這種傳感器可用于已知物質(zhì)的濃度傳感，但不適用于復(fù)雜的生化傳感。生化傳感往往需要從混合物樣本（如血清樣本）中傳感出某一特定組分（如某癌胚抗原）的含量，這就需要傳感器具有選擇性。硅基片上光電傳感器選擇性已經(jīng)被廣泛地研究，基本原理是對(duì)傳感器中波導(dǎo)芯區(qū)的表面進(jìn)行預(yù)處理，使其只能吸附特定的待傳感物。例如將抗體作為生物探針預(yù)處理在波導(dǎo)芯區(qū)表層，則其只會(huì)選擇性吸附相應(yīng)的抗原[12]。

4 減小溫度相關(guān)性

硅材料具有很強(qiáng)的熱光效應(yīng)，這將使得波導(dǎo)的有效折射率[neff]隨溫度而顯著變化，會(huì)嚴(yán)重干擾傳統(tǒng)傳感器對(duì)目標(biāo)物理量的傳感。為了減小硅基片上光電傳感器的溫度相關(guān)性，本課題組提出了一種基于雙環(huán)耦合的溫度不敏感結(jié)構(gòu)[13-14]，如圖6a）所示，其傳輸譜如圖6b）所示。溫度變化會(huì)使得傳輸譜整體橫向漂移，而待傳感量的變化會(huì)使得傳輸譜上下漂移。傳輸譜存在一定的“平底”區(qū)域，當(dāng)溫度變化引起的漂移量在這一范圍時(shí)，將不影響傳感。

5 降低系統(tǒng)成本

波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)可以使用低成本的寬帶光源，但需要光譜分析設(shè)備進(jìn)行傳感輸出信號(hào)的處理；強(qiáng)度監(jiān)測(cè)需要使用波長(zhǎng)可精確控制的窄線寬激光器作光源，然后利用光電探測(cè)器將傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。波長(zhǎng)可精確控制的窄線寬激光器或光譜分析設(shè)備都是十分昂貴的。雖然硅基光電溫度傳感器可通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）光刻工藝進(jìn)行批量加工，具有低成本的特性，但整個(gè)系統(tǒng)成本仍舊很高。為了降低系統(tǒng)成本，浙江大學(xué)何建軍教授課題組提出了串聯(lián)雙環(huán)傳感[15]結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將兩個(gè)自由光譜范圍具有微小差異的微環(huán)串聯(lián)，并將其中一個(gè)微環(huán)用于傳感。當(dāng)待傳感量引起傳感環(huán)的諧振波長(zhǎng)漂移時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳輸譜包絡(luò)會(huì)在雙環(huán)的游標(biāo)效應(yīng)下顯著變化，從而整個(gè)系統(tǒng)可以采用低成本的寬帶光源和光電探測(cè)器進(jìn)行架構(gòu)，有效降低系統(tǒng)成本。本課題組也提出了一種低成本光電溫度傳感器[16]，如圖7a）所示。匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)使得MZI兩臂滿足非對(duì)稱平衡條件，則其傳輸譜將沒有干涉峰，僅是溫度的函數(shù)。如圖7b）所示，傳輸譜隨著溫度的變化而整體上下漂移，因而也可以采用低成本的寬帶光源和光電探測(cè)器來構(gòu)建整個(gè)傳感系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

硅基片上光電傳感器具有低成本、高系統(tǒng)集成度等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來便攜式傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文章中，我們對(duì)其基于倏逝波的傳感原理進(jìn)行了歸納總結(jié)，并結(jié)合本課題組的科研成果對(duì)當(dāng)前主要的幾個(gè)研究方向進(jìn)行了介紹，包括提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本。希望這些內(nèi)容能有助于讀者對(duì)硅基片上光電傳感及相關(guān)器件的理解，積極推動(dòng)這一研究領(lǐng)域的發(fā)展。

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