基于硅基光電子技術(shù)的零串?dāng)_亞波長(zhǎng)光柵折射率傳感器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
+ C: ?3 e0 g* p7 F硅基光電子已成為多種光學(xué)應(yīng)用的變革性技術(shù),包括傳感領(lǐng)域。本文探討創(chuàng)新的硅基光電子折射率(RI)傳感器,該傳感器利用亞波長(zhǎng)光柵(SWGs)實(shí)現(xiàn)的零串?dāng)_響應(yīng),相比傳統(tǒng)傳感方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在小型化的同時(shí)提供了高靈敏度[1]。


2 I# C6 Y2 K% ^' \" F# C零串?dāng)_傳感的概念
, _2 L! {& S$ g( |8 Y4 C該傳感器的核心理念是利用SWGs的各向異性特性,在兩個(gè)耦合波導(dǎo)之間實(shí)現(xiàn)零串?dāng)_條件。與傳統(tǒng)的定向耦合器不同,該傳感器在光譜中呈現(xiàn)單一的傳輸凹陷,對(duì)周圍折射率變化高度敏感。
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圖1:基于SWG輔助的零串?dāng)_RI傳感器示意圖,展示了器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵組件。

6 `& J% b7 X, [3 d* M2 o) }傳感器由兩個(gè)平行的硅波導(dǎo)組成,SWGs垂直于傳播方向排列。通過(guò)精心設(shè)計(jì)SWG參數(shù),可以在特定波長(zhǎng)創(chuàng)造波導(dǎo)間串?dāng)_為零的條件。這個(gè)零串?dāng)_點(diǎn)對(duì)包層折射率變化高度敏感,構(gòu)成了傳感機(jī)制的基礎(chǔ)。

0 ]! ?1 z) I( o$ Q1 y設(shè)計(jì)與優(yōu)化
4 [9 J4 o' Y4 T4 [) _: ~3 V8 t( b/ ]! \為實(shí)現(xiàn)最佳傳感性能,需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù):
9 @. O) [" S8 E& D1. SWG設(shè)計(jì):亞波長(zhǎng)光柵對(duì)創(chuàng)造零串?dāng)_所需的各向異性環(huán)境至為關(guān)鍵。光柵周期、占空比和寬度經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。
( g. I, G, p1 F" }6 P2. 波導(dǎo)幾何:耦合波導(dǎo)的寬度和間隔影響導(dǎo)波模式與傳感介質(zhì)的相互作用。
3. 工作波長(zhǎng):傳感器設(shè)計(jì)為在電信C波段約1550 nm處工作,以兼容標(biāo)準(zhǔn)光子組件。
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圖2:3D弗洛凱模態(tài)仿真的設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果,展示了不同包層折射率下的耦合長(zhǎng)度和功率比。
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使用3D弗洛凱模態(tài)分析的數(shù)值仿真有助于優(yōu)化這些參數(shù)。目標(biāo)是最大化零串?dāng)_點(diǎn)對(duì)包層折射率變化的敏感性,同時(shí)保持清晰明確的光譜特征。
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SWGs增強(qiáng)靈敏度
在此傳感器設(shè)計(jì)中使用SWGs的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是相比傳統(tǒng)條形波導(dǎo)靈敏度得到提高。SWG結(jié)構(gòu)允許光學(xué)模式與傳感介質(zhì)有更大的相互作用。

. g$ `1 l& l4 j" J圖3:比較SWG和條形波導(dǎo)配置的靈敏度分析,展示了基于SWG的傳感器性能提升。
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外部限制因子代表與包層相互作用的光場(chǎng)分量,在SWG波導(dǎo)中顯著更高。這導(dǎo)致耦合波導(dǎo)的對(duì)稱和反對(duì)稱模式之間的模態(tài)靈敏度差異更大,最終提高了器件靈敏度。

% n; {: o4 R/ \6 t實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
0 v2 c! l( Z: x, D0 ?為驗(yàn)證概念,在硅絕緣體(SOI)平臺(tái)上使用電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕制造了傳感器。用于表征傳感器性能的實(shí)驗(yàn)裝置如下所示:
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圖4:實(shí)驗(yàn)表征裝置,包括器件的光學(xué)圖像和SWG結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
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使用可調(diào)諧激光源和功率計(jì)監(jiān)測(cè)直通和耦合端口輸出,測(cè)量了傳感器對(duì)不同包層折射率的響應(yīng)。結(jié)果顯示隨著包層折射率增加,光譜凹陷明顯藍(lán)移。
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圖5:不同包層液體折射率下測(cè)得的功率比光譜,顯示零串?dāng)_點(diǎn)的藍(lán)移。

4 N4 G( J* e& @3 d/ V性能指標(biāo)
$ e; r9 D+ V4 t0 D4 f實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了這種新型傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)異性能指標(biāo):
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波長(zhǎng)靈敏度：約-410 nm/RIU(折射率單位)

強(qiáng)度靈敏度：395 dB/RIU

器件占用面積：82.8 μm2

系統(tǒng)檢測(cè)限：2.4 × 10?? RIU(波長(zhǎng)),5.2 × 10?? RIU(強(qiáng)度)

% w/ d! w7 `/ q% @9 g; T這些數(shù)據(jù)展示了傳感器的高靈敏度和緊湊尺寸,使其能與其他最先進(jìn)的硅基光電子RI傳感器競(jìng)爭(zhēng)。

0 @" w( [! f" o* S  Z實(shí)時(shí)傳感能力
& e; B9 j7 L: r' t: F1 ?該傳感器的一個(gè)重要特性是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)折射率變化。這通過(guò)使用不同濃度的水中異丙醇(IPA)溶液得到了驗(yàn)證。
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4 R9 o0 n7 ]& i; f2 x圖6:時(shí)域響應(yīng)演變,顯示不同IPA濃度水溶液的實(shí)時(shí)傳感。

通過(guò)固定輸入激光波長(zhǎng)并持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出功率比,傳感器可以檢測(cè)到引入傳感區(qū)域的不同IPA濃度所造成的微小折射率變化。
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相比傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢(shì)
% l# {2 ?3 ?7 H5 v, K  T這種基于零串?dāng)_SWG的傳感器相比傳統(tǒng)方法具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì):

無(wú)自由光譜范圍(FSR)操作：不同于環(huán)形諧振器或馬赫-曾德干涉儀,該傳感器沒有自由光譜范圍限制,允許更寬的檢測(cè)范圍。

緊湊占用面積：器件在極小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度,適合密集集成。

簡(jiǎn)單讀出：光譜響應(yīng)的切線性質(zhì)允許在固定波長(zhǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的基于強(qiáng)度的讀出。

多功能性：傳感器適用于波長(zhǎng)和強(qiáng)度兩種詢問方案,提供了測(cè)量方法的靈活性。
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結(jié)論
1 o& d1 X5 d, j, @) \$ A本文介紹的零串?dāng)_硅基光電子RI傳感器代表了片上傳感技術(shù)的進(jìn)展。通過(guò)利用亞波長(zhǎng)光柵的獨(dú)特特性,該器件實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、小型化和多功能操作。潛在應(yīng)用范圍從生化傳感到氣體檢測(cè),為未來(lái)集成光子傳感解決方案提供了很好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)
4 s  P4 W; M; \6 i# c% X[1] S. Z. Ahmed, M. Hasan, K. Kim and S. Kim, "Zero-crosstalk silicon photonic refractive index sensor with subwavelength gratings," Nano Convergence, vol. 11, no. 39, pp. 1-10, 2024, doi: 10.1186/s40580-024-00446-1.

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