基于等離子波導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

(重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065)

1 引言

光學檢測技術(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性，以解決信號重復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的增強拉曼光流體芯片進行設計和仿真分析，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)波導與表面等離子波導和微流體結(jié)構(gòu)幾部分。其中，介質(zhì)光波導包括波導包層和波導芯層；表面等離子波導采用納米金膜(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結(jié)構(gòu)，以減小傳輸損耗。介質(zhì)波導用于激發(fā)等離子共振，并與等離子波導耦合，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)光波導中，以實現(xiàn)對等離子波導的激發(fā)；介質(zhì)光波導中傳輸?shù)募ぐl(fā)光耦合到等離子波導中，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)波導耦合后從波導另一端輸出。

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)的波導幾何尺寸、離子波導和介質(zhì)波導最優(yōu)間距等參數(shù)。芯片等離子波導和介質(zhì)波導的側(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)，作為等離子波導上包層，金條為等離子波導芯層，中間Cytop(折射率1.34)層為等離子波導下包層，同時也作為介質(zhì)波導上包層，氟化鎂(PTFE)為介質(zhì)波導核。仿真分析步驟為[16]：1、優(yōu)化等離子波導有效折射率；2、優(yōu)化介質(zhì)波導，使介質(zhì)波導與等離子波導折射率匹配；3、優(yōu)化等離子波導和介質(zhì)波導間距，獲取最佳耦合效果。

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

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

1)介質(zhì)光波導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)光波導與等離子體波導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模場分布，有利于與介質(zhì)波導耦合，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 等離子波導模場分布Fig.4 Mode field distribution of plasma waveguide

3.2 激發(fā)介質(zhì)光波導模擬仿真

介質(zhì)光波導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)波導寬度和厚度進行掃描分析，尋找有效折射率與等離子波導有效折射率相匹配，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)光波導模場分布Fig.5 Mode field distribution of dielectric optical waveguide

3.3 等離子體波導與介質(zhì)波導模耦合模擬仿真

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

使用前面已經(jīng)獲取的等離子波導和介質(zhì)波導幾何參數(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)光波導寬度為4 μm、厚度為0.2 μm，等離子體波導寬度為4.5 μm、厚度為13 nm，兩波導間距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和介質(zhì)波導中反對稱分別，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)波導激發(fā)等離子波導的耦合方式，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傳輸長度的兩倍。分析其原因為：等離子波導的金屬層吸收損耗激發(fā)光，而介質(zhì)波導材料無吸收損耗，可以近似看成理想的無損耗傳輸，采用介質(zhì)波導激發(fā)等離子波導的耦合方式，等離子波導中的能量和介質(zhì)波導中能量交替進行傳輸，相當于將等離子波導的吸收損耗平均到等離子波導和介質(zhì)波導中，因此損耗減少一半，傳輸距離增加一倍。

2)場強大小

單獨的等離子波導結(jié)構(gòu)最大場強大小為1.6794×108，采用介質(zhì)波導激發(fā)等離子波導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的局域場增強，介質(zhì)波導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，單獨的等離子波導結(jié)構(gòu)和介質(zhì)波導激發(fā)等離子波導的耦合結(jié)構(gòu)二者場強大小相近。

4 結(jié)束語

本文設計了一種基于長程等離子波導的表面增強拉曼光流體芯片，利用介質(zhì)波導激發(fā)等離子波導的耦合結(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)光波導寬度為4 μm、厚度為0.2 μm，等離子體波導寬度為4.5 μm、厚度為13 nm，兩波導間距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性探測提供了依據(jù)。

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