狭缝波导硅基微环生物传感器特性分析

高　亮，王卓然，袁国慧，王　维，林志远

(电子科技大学光电信息学院　电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都　610054)

0　引言

光学传感器在如医学药品分析、食品安全控制、环境监测等诸多领域具有广泛的应用前景。和有标记光学传感技术相比，无标记光学传感方式具有结构简单、成本低廉、可在线监测等优势，因此定量的进行无标记探测近年来已引起了学术界和工业界的广泛关注。至今，已经陆续出现了多种无标记光学生化传感器，如MZI传感器[1]，表面等离子体传感器[2]等，但由于传感原理的不同，上述传感器具有各自固有的缺点，如尺寸较大、制作困难等。

基于消逝场传感的微环传感器，具有结构紧凑、传感灵敏度高等优势，回音壁谐振效应等效于延长了传感长度，可使器件结构微型化，易于实现传感器阵列；同时器件高品质因子的特点有利于实现高的探测性能，因此微环传感器具有极其广阔的应用前景。在绝缘体上硅片(Silicon-on-Isolator，SOI)材料上制作微环谐振腔利用了现有的超大规模集成电路互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，可达到实现批量生产、显著降低器件成本的目的，目前微环传感器的灵敏度大概为70nm/RIU[3]左右。

2004年，康奈尔大学Lipson课题组提出了狭缝波导[4]的概念，并指出其可应用于传感领域。2008年，康奈尔大学Jacob T．Robinson等报道了用于气体探测的狭缝波导传感器[5]，由于光场被限制在充满待测物质的低折射率狭缝区域，可使光和物质之间的相互作用显著增强，灵敏度也随之提高到490 nm/RIU量级。

文中集中了狭缝波导与微环谐振腔各自的优势，研究了基于SOI材料的垂直狭缝波导的高灵敏度微环传感器，分析了包括微环耦合区长度、耦合间距、侧向失配量、非对称系数等在内的关键几何参数对器件传感性能的影响，并利用时域有限差分法(FDTD)对器件结构进行了详尽的计算，指明了在不同参量变化情况下器件传感性能优化的途径。

1　基于单狭缝波导的微环传感器

普通的微环传感器(Ring Resonator Biosensor， RRB)的探测性能并不十分理想，尤其是灵敏度不是非常高。通常有两个途径来提高器件的性能：一种方法是尽量减小器件弯曲与传输损耗，从而提高传感器的品质因子，增加传感系统的信噪比；另一种方法是通过增强光与物质之间的相互作用，增加谐振波长的漂移量，提高传感器的灵敏度。文中从后者入手，研究了一种基于SOI的垂直狭缝波导微环传感器(Slot-Waveguide based Ring Resonator Biosensor，SWRRB)，该跑道型微环传感器的结构如图1所示，包括了两个半圆环的波导以及两个水平耦合的直波导，微环的半径大约为5 μm，器件波导均为狭缝波导。通过对狭缝波导结构的优化，确定了狭缝波导的最优结构参数，加狭缝波导结果即当狭缝两侧的硅波导宽度W2为210 nm，狭缝的高度H为220 nm，狭缝宽度W1为100 nm时，狭缝区域的功率与入射功率之比可以达到最大值，如图2所示，光场主要被限制在狭缝区域，硅波导中光场很弱。待测流体(可为液体或气体)从SWRRB的上包层流过。

(a)基于SOI的狭缝波导微环传感器图

(b)传感器截面图

图2　狭缝波导电场强度分布图

采用时域有限差分(FDTD)的方法分析并优化了SWRRB器件几何形状的关键参数对传感性能的影响，包括了微环谐振腔的耦合长度、耦合间距、侧向失配量、非对称系数等。

1．1微环谐振腔耦合区长度的优化

为了实现传感器的微型化，将微环谐振腔半径设为5 μm，微环谐振腔的耦合长度Lc初始值为0 μm、耦合间距G初始值为100 nm、侧向失配量DL初始值为0 nm、非对称系数A初始值为0.5。

首先分析了在不同耦合区长度Lc的条件下传感器的输出响应曲线(图3)，发现当Lc为0～2 μm时，传感器输出功率大，但是消光比低、品质因子小；当Lc为4～5 μm时，传感器输出功率很小，说明此时耦合进微环谐振腔的功率较低，不利于探测；当Lc为3 μm时，传感器输出功率大、品质因子高，此时传感器具有很好的传感特性。

图3　不同耦合长度条件下的透射谱

1．2微环谐振腔耦合间距的优化

当Lc固定为3 μm后，分析了在不同的耦合间距G下传感器的性能特性，图4是在不同G的条件下传感器输出端口的响应曲线，当G选在60～70 nm时，传感器具有较高的品质因子，但是输出功率小；当G在90～120 nm时，传感器输出功率变大，但是同时消光比变低、品质因子减小，说明G不宜过大或过小；只有当G为80 nm时，传感器的透射谱具有很高的消光比、品质因子高，同时输出功率大。因此将传感器的耦合间距定为80 nm．

图4　不同耦合间距条件下的透射谱

1．3微环谐振腔侧向失配量的优化

由于环形腔在弯曲波导和直波导结合处的光模式并不匹配，因此引入侧向失配量DL的概念，delta是半微环波导与侧向耦合区波导之间的一个水平偏移量。当Lc与G分别固定为3μm和80 nm后，分析了在不同DL的情况下传感器的输出端口的响应曲线(图5)。当DL在-5 nm时，传感器的输出功率最大；当DL为10 nm时，传感器的透射谱具有很高的消光比，但是输出功率较小；当DL继续增加的时候，光耦合损耗进一步加大，输出功率进一步减小。因此将传感器的侧向失配量选为-5 nm．

图5　不同侧向失配量条件下的透射谱

(a)狭缝波导微环传感器的模场图

(b)不同NaCl溶液的折射率与传感器谐振峰位置之间的关系

通过以上的模拟优化，得到一种SWRRB的结构，利用FDTD方法分析了器件的模场图，光从图6(a)左上角直波导侧入射，满足谐振条件的光从右下方直波导输出。通过图6(a)可以看出光功率主要被限制在狭缝区域，这使得光和物质之间的相互作用大大加强。为了进一步分析器件性能，我们让不同浓度的氯化钠(NaCl)溶液[6]流过传感器的上包层，同时观测输出波导端口的光功率大小。图6(b)表明在不同浓度的NaCl溶液作为待测流体的条件下，传感器响应曲线的谐振峰位置与NaCl溶液折射率之间的关系。数值分析结果表明，在对上述几何参数进行优化设计后，灵敏度达到594 nm/RIU左右，品质因子Q为430，自由光谱范围(FSR)为25.6 nm．此SWRRB对比传统的微环传感器(典型的灵敏度约为70 nm/RIU)，灵敏度提高了近8倍。性能提高的主要原因是由于狭缝区域的存在，使得准TE模被很好的限制在狭缝区域，导致光和物质之间的相互作用大大增强，从而显著地提高了器件的传感性能。

1．4微环谐振腔非对称系数的优化

虽然上述传感器的灵敏度很高，但输出端口的功率与品质因子并不是很高。在研究中发现，由于微环谐振腔弯曲波导的存在，光波的模场并不是中心对称的，因此可以从这点入手对SWRRB再次优化，这里引入了非对称系数的概念，非对称系数A(0

2　结语

从器件几何参数优化的角度出发研究了基于SOI的无标记SWRRB，数值分析表明，这种微环单狭缝传感器在耦合长度为3 μm、耦合间距为80 nm、侧向失配量为-5 nm、非对称系数为0.5时，传感器的灵敏度大小可达594 nm/RIU，自由光谱范围为25.6 nm，品质因子为430，比传统的微环传感器的灵敏度提高将近8倍。这种光学传感器件与其他传感器相比，具有尺寸微小、灵敏度高、与CMOS工艺兼容、无标记探测等优点，因此将在生物分子探测和有害气体探测方面具有很高的理论研究、实用价值和广阔的发展前景。

参考文献：

[1]DENSMORE A．A silicon-on-insulator photonic wire based evanescent field sensor．IEEE Photonics Technology，etters，2006，18(23)：2520-2522．

[2]NEMOVA G，KASHYAP R．Theoretical model of a planar integrated refractive index sensor based on surface plasmon-polariton excitation with a long period grating．Optical Society of America，2007，24：2696-2701．

图7　不同非对称系数下传感器输出响应曲线

图8　非对称系数为0.7时传感器的模场分布图

[3]DE VOS K，BARTOLOZZI I，SCHACHT E，et al．Silicon-on-insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing．Optics Express，2007，15(12)：7610-7615．

图9　NaCl溶液的折射率与传感器谐振峰位置之间的关系

[4]JACOB T R，CHE L，MICHAL．On-chip gas detection in silicon optical microcavities．Optics Express，2008，16(6)．

[5]XU Q F，VILSO R A，ROBERTO R P，et al．Experimental demonstration of guiding and confining light in nanometer-size low-refractive-index material．Optics，etters，2004，29(14 )．

[6]SU H，HUANG X G．Fresnel-reflection-based fiber sensor for on-line measurement of solute concentration in solutions．Sensors and Actuators B-Chemical，2007，126：579-582．