基于硅基光電子技術的零串擾亞波長光柵折射率傳感器

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引言
: r$ }; l5 B, y. j8 `) o硅基光電子已成為多種光學應用的變革性技術,包括傳感領域。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光柵(SWGs)實現(xiàn)的零串擾響應,相比傳統(tǒng)傳感方法具有獨特優(yōu)勢,在小型化的同時提供了高靈敏度[1]。
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零串擾傳感的概念
7 [! A7 C8 C; v1 y該傳感器的核心理念是利用SWGs的各向異性特性,在兩個耦合波導之間實現(xiàn)零串擾條件。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,對周圍折射率變化高度敏感。

圖1:基于SWG輔助的零串擾RI傳感器示意圖,展示了器件結構和關鍵組件。
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傳感器由兩個平行的硅波導組成,SWGs垂直于傳播方向排列。通過精心設計SWG參數(shù),可以在特定波長創(chuàng)造波導間串擾為零的條件。這個零串擾點對包層折射率變化高度敏感,構成了傳感機制的基礎。
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6 H2 T8 T2 B3 d0 ]設計與優(yōu)化
1 ~$ r; A! v1 f" H為實現(xiàn)最佳傳感性能,需要考慮幾個關鍵參數(shù):
1. SWG設計:亞波長光柵對創(chuàng)造零串擾所需的各向異性環(huán)境至為關鍵。光柵周期、占空比和寬度經(jīng)過精心優(yōu)化以實現(xiàn)預期效果。
+ j) \4 b+ F5 n  E5 H& s: y2. 波導幾何:耦合波導的寬度和間隔影響導波模式與傳感介質的相互作用。
3. 工作波長:傳感器設計為在電信C波段約1550 nm處工作,以兼容標準光子組件。

% r1 I9 M7 b. U! j1 z* g5 k圖2:3D弗洛凱模態(tài)仿真的設計優(yōu)化結果,展示了不同包層折射率下的耦合長度和功率比。

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)。目標是最大化零串擾點對包層折射率變化的敏感性,同時保持清晰明確的光譜特征。

% Y) a8 X8 b' I5 k0 |SWGs增強靈敏度
0 o9 O7 F8 w) \5 d. y( ?在此傳感器設計中使用SWGs的一個關鍵優(yōu)勢是相比傳統(tǒng)條形波導靈敏度得到提高。SWG結構允許光學模式與傳感介質有更大的相互作用。
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圖3:比較SWG和條形波導配置的靈敏度分析,展示了基于SWG的傳感器性能提升。

9 ]% l+ ?  t% p! U9 Z/ b外部限制因子代表與包層相互作用的光場分量,在SWG波導中顯著更高。這導致耦合波導的對稱和反對稱模式之間的模態(tài)靈敏度差異更大,最終提高了器件靈敏度。
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實驗驗證
2 I8 {. y  c5 o" I9 o% x為驗證概念,在硅絕緣體(SOI)平臺上使用電子束光刻和反應離子刻蝕制造了傳感器。用于表征傳感器性能的實驗裝置如下所示:
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圖4:實驗表征裝置,包括器件的光學圖像和SWG結構的SEM圖像。

  u+ u7 i" X; M4 N$ }/ U使用可調(diào)諧激光源和功率計監(jiān)測直通和耦合端口輸出,測量了傳感器對不同包層折射率的響應。結果顯示隨著包層折射率增加,光譜凹陷明顯藍移。

圖5:不同包層液體折射率下測得的功率比光譜,顯示零串擾點的藍移。
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: a! W! p/ ?4 ~) g6 e% }: Q) W性能指標
實驗結果揭示了這種新型傳感器設計的優(yōu)異性能指標:

波長靈敏度：約-410 nm/RIU(折射率單位)

強度靈敏度：395 dB/RIU

器件占用面積：82.8 μm2

系統(tǒng)檢測限：2.4 × 10?? RIU(波長),5.2 × 10?? RIU(強度)

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的硅基光電子RI傳感器競爭。

實時傳感能力
+ H  _5 b1 c& g9 F該傳感器的一個重要特性是能夠實時監(jiān)測折射率變化。這通過使用不同濃度的水中異丙醇(IPA)溶液得到了驗證。
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圖6:時域響應演變,顯示不同IPA濃度水溶液的實時傳感。
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通過固定輸入激光波長并持續(xù)監(jiān)測輸出功率比,傳感器可以檢測到引入傳感區(qū)域的不同IPA濃度所造成的微小折射率變化。

相比傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢
; I0 B' B$ y. G% q/ p+ u$ c這種基于零串擾SWG的傳感器相比傳統(tǒng)方法具有幾個優(yōu)勢:

無自由光譜范圍(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,允許更寬的檢測范圍。

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

簡單讀出：光譜響應的切線性質允許在固定波長進行簡單的基于強度的讀出。

多功能性：傳感器適用于波長和強度兩種詢問方案,提供了測量方法的靈活性。
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結論
7 K' e/ q7 C* T+ O* `本文介紹的零串擾硅基光電子RI傳感器代表了片上傳感技術的進展。通過利用亞波長光柵的獨特特性,該器件實現(xiàn)了高靈敏度、小型化和多功能操作。潛在應用范圍從生化傳感到氣體檢測,為未來集成光子傳感解決方案提供了很好的平臺。
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參考文獻
[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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