基于等離子波導(dǎo)的表面增強拉曼芯片仿真分析

賴春紅，周小兵，朱峻峰，張金玉，劉紫琪

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

1 引言

光學(xué)檢測技術(shù)與微流體控制技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為生化檢測芯片一個重要發(fā)展趨勢[1-3]。作為一種重要的光學(xué)檢測手段，表面增強拉曼散射光譜技術(shù)具有檢測速度快、樣品用量少、無需樣品預(yù)處理、探測靈敏度高、干擾小、可同時檢測多種物質(zhì)等特點[4-6]。目前基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的微流體傳感芯片[7-9]，多采用單點探測的方式收集拉曼信號，在實現(xiàn)芯片可重復(fù)檢測的同時，犧牲了其潛在的檢測靈敏度[10-12]。采用長程探測的方式收集增強拉曼信號，不僅可以增加光和樣品分子的作用距離，累積增加檢測樣本的拉曼信號強度，還可以利用微通道內(nèi)流動液體的平均作用改善信號重復(fù)性，以解決信號重復(fù)性和靈敏度相矛盾的問題[13-15]。因此，本文對基于長程表面等離子波導(dǎo)的增強拉曼光流體芯片進行設(shè)計和仿真分析，研究芯片的傳輸距離和表面增強拉曼信號增強的強度，為實現(xiàn)集成化、高增強、可重復(fù)的表面增強拉曼芯片提供理論依據(jù)。

2 芯片結(jié)構(gòu)及原理

基于長程等離子波導(dǎo)的表面增強拉曼光流體芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)與表面等離子波導(dǎo)和微流體結(jié)構(gòu)幾部分。其中，介質(zhì)光波導(dǎo)包括波導(dǎo)包層和波導(dǎo)芯層；表面等離子波導(dǎo)采用納米金膜(Au)作為芯層，其上包層由微流道中的樣品溶液充當，其下包層與介質(zhì)光波導(dǎo)的上包層共用；微流體部分則由進液口、出液口和微流體通道構(gòu)成。芯片利用 Au 膜的表面等離子共振特性構(gòu)成 SERS 活性基底，金膜上下表面材料選取折射率接近的材料，形成長程等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以減小傳輸損耗。介質(zhì)波導(dǎo)用于激發(fā)等離子共振，并與等離子波導(dǎo)耦合，進一步減少損耗，增加傳輸距離，獲取更大的拉曼信號。

圖1 基于等離子波導(dǎo)的表面增強拉曼芯片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of surface enhanced Raman scattering chip based on the plasma waveguide

芯片工作原理如下：激發(fā)光入射到介質(zhì)光波導(dǎo)中，以實現(xiàn)對等離子波導(dǎo)的激發(fā)；介質(zhì)光波導(dǎo)中傳輸?shù)募ぐl(fā)光耦合到等離子波導(dǎo)中，在金屬薄膜與上下兩層介質(zhì)直接激發(fā)出表面等離子體，放大金薄膜表面的局域電場，增強樣品分子的拉曼信號；產(chǎn)生的拉曼信號再次與介質(zhì)波導(dǎo)耦合后從波導(dǎo)另一端輸出。

3 仿真分析與討論

采用Comsol Multiphysics多物理場軟件的RF模塊仿真分析長程傳輸?shù)木嚯x，獲取最優(yōu)的波導(dǎo)幾何尺寸、離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)最優(yōu)間距等參數(shù)。芯片等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)的側(cè)視圖如圖2所示，最上層是檢測溶液(因檢測溶液為低濃度，折射率與水近似，用水溶液代替，折射率1.33)，作為等離子波導(dǎo)上包層，金條為等離子波導(dǎo)芯層，中間Cytop(折射率1.34)層為等離子波導(dǎo)下包層，同時也作為介質(zhì)波導(dǎo)上包層，氟化鎂(PTFE)為介質(zhì)波導(dǎo)核。仿真分析步驟為[16]：1、優(yōu)化等離子波導(dǎo)有效折射率；2、優(yōu)化介質(zhì)波導(dǎo)，使介質(zhì)波導(dǎo)與等離子波導(dǎo)折射率匹配；3、優(yōu)化等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)間距，獲取最佳耦合效果。

圖2 等離子波導(dǎo)與介質(zhì)波導(dǎo)耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of coupling between plasma waveguide and dielectric waveguide

為了減小傳輸損耗，提高等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)耦合效率，需要注意以下兩點：

1)介質(zhì)光波導(dǎo)盡可能保證基模傳輸且模場分布光斑盡可能圓，在這種情況下的耦合效率較高；

2)激發(fā)光波導(dǎo)與等離子體波導(dǎo)的等效折射率盡可能相等以進一步提高耦合效率。

3.1 等離子波導(dǎo)模擬仿真

入射光波長采用632.8 nm，由Drude模型可知,該波長下金的有效折射率為0.19715+3.0899i。等離子波導(dǎo)示意圖如圖3中插圖所示。首先計算納米金膜(Au)作為等離子波導(dǎo)芯層滿足長程傳輸?shù)慕刂购穸?。由色散關(guān)系[17]計算得出等離子波導(dǎo)傳輸距離與金膜厚度關(guān)系如圖3所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，金膜的截止厚度為8.03 nm。然后對金膜的厚度和寬度進行參數(shù)掃描分析。設(shè)置金膜厚度范圍為[10 nm,30 nm]，步長為1 nm，金膜寬度范圍為[1 μm,5 μm]，步長為0.5 μm，參數(shù)掃描結(jié)果顯示厚度變化在[11 nm,17 nm]之間，寬度變化在[2 μm,8 μm]之間，可出現(xiàn)激發(fā)等離子波的TM基模。

圖3 等離子體波導(dǎo)傳輸距離與金膜厚度關(guān)系Fig.3 Relation between transmission distance of plasma waveguide and gold film thickness

經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)：金膜厚度為13 nm，寬度為4.5 μm時，能獲得較佳的等離子波導(dǎo)模場分布，有利于與介質(zhì)波導(dǎo)耦合，模場分布如圖4所示，其有效折射率為1.341148-3.358E-4i，場強大小為1.6794×108。

圖4 等離子波導(dǎo)模場分布Fig.4 Mode field distribution of plasma waveguide

3.2 激發(fā)介質(zhì)光波導(dǎo)模擬仿真

介質(zhì)光波導(dǎo)芯層材料為折射率為1.377的PTFE，包層材料折射率為1.34的Cytop。對介質(zhì)波導(dǎo)寬度和厚度進行掃描分析，尋找有效折射率與等離子波導(dǎo)有效折射率相匹配，同時滿足基膜傳輸?shù)淖罴褜挾群秃穸?。厚度掃描范圍為[0.1 μm,0.5 μm]，步長為0.05 μm，寬度掃描范圍為[0.5 μm,5 μm]，步長為0.1 μm。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：當介質(zhì)波導(dǎo)寬度為4 μm，厚度為0.2 μm時，獲得有效折射率為1.341147，與等離子波導(dǎo)有效折射率實部1.341148匹配較好，模場分布如圖5所示。

圖5 介質(zhì)光波導(dǎo)模場分布Fig.5 Mode field distribution of dielectric optical waveguide

3.3 等離子體波導(dǎo)與介質(zhì)波導(dǎo)模耦合模擬仿真

在等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)有效折射率匹配的基礎(chǔ)上，對等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)之間的間距D進行優(yōu)化，以獲取耦合的最佳效果。

使用前面已經(jīng)獲取的等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)幾何參數(shù)建立模型，令D的范圍為[1 μm,5 μm]，步長為0.5 μm，參數(shù)掃描結(jié)果顯示：當介質(zhì)光波導(dǎo)寬度為4 μm、厚度為0.2 μm，等離子體波導(dǎo)寬度為4.5 μm、厚度為13 nm，兩波導(dǎo)間距D為3.1 μm時，耦合效果最好，可以得到耦合奇模式模場分布如圖6(a)所示，耦合偶模式模場分布圖6(b)耦合奇模式有效折射率分別為1.34-9.21E-5i，場強大小為1.387×108；耦合式有效折射率為1.341728-1.697994E-4i，場強大小為1.8024×108。由于奇模式場強在等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)中反對稱分別，偶模式場強呈對稱分布，偶模式即長程等離子波，損耗更下，傳輸距離更遠[17]，采用偶模式進行下一步研究。

圖6 耦合模場分布(a)奇模式 (b)偶模式Fig.6 Coupling mode field distribution(a) odd mode (b) even mode

3.4 仿真結(jié)果討論

1)傳輸距離

等離子波導(dǎo)的損耗系數(shù)α和傳輸距離L可以分別通過公式(1)和(2)計算得出[18]。

(1)

L=1/2α

(2)

單獨的等離子波導(dǎo)有效折射率為1.341148-3.358E-4i，由公式(1)和(2)計算得到損耗系數(shù)傳輸距離L約為0.15 mm。采用介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)等離子波導(dǎo)的耦合方式，偶模式的有效折射率為1.342-1.698E-4i，經(jīng)計算得到傳輸距離約0.3 mm，約為單獨等離子波導(dǎo)傳輸長度的兩倍。分析其原因為：等離子波導(dǎo)的金屬層吸收損耗激發(fā)光，而介質(zhì)波導(dǎo)材料無吸收損耗，可以近似看成理想的無損耗傳輸，采用介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)等離子波導(dǎo)的耦合方式，等離子波導(dǎo)中的能量和介質(zhì)波導(dǎo)中能量交替進行傳輸，相當于將等離子波導(dǎo)的吸收損耗平均到等離子波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)中，因此損耗減少一半，傳輸距離增加一倍。

2)場強大小

單獨的等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)最大場強大小為1.6794×108，采用介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)等離子波導(dǎo)的耦合方式最大場強大小為1.8024×108，場強大小有細微差別。分析其原因為，場強增強來源主要是等離子波導(dǎo)的局域場增強，介質(zhì)波導(dǎo)的耦合有利于將局域場進行傳輸，但是并沒有對場強的增強作用。因此，單獨的等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)等離子波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)二者場強大小相近。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于長程等離子波導(dǎo)的表面增強拉曼光流體芯片，利用介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)等離子波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)減小傳輸損耗，增加傳輸距離，以實現(xiàn)拉曼信號的長程探測。采用comsol軟件對傳輸距離和場強大小進行仿真分析。在激發(fā)光波長為632.8 nm入射條件下，當介質(zhì)光波導(dǎo)寬度為4 μm、厚度為0.2 μm，等離子體波導(dǎo)寬度為4.5 μm、厚度為13 nm，兩波導(dǎo)間距D為3.1 μm時，耦合效果最好，場強大小約1.8024×108，傳輸距離約0.3 mm，是單獨使用等離子波導(dǎo)傳輸距離的兩倍。該結(jié)構(gòu)為拉曼信號長程探測奠定了理論基礎(chǔ)，為實現(xiàn)拉曼微流體芯片的高靈敏度和可重復(fù)性探測提供了依據(jù)。

致謝:感謝重慶市科委基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究項目(csts2017jcyjAX0427)、重慶郵電大學(xué)博士啟動基金項目(A2016-71)對本課題研究的支持。