基于硅基光电子技术的零串扰亚波长光栅折射率传感器

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子已成为多种光学应用的变革性技术,包括传感领域。本文探讨创新的硅基光电子折射率(RI)传感器,该传感器利用亚波长光栅(SWGs)实现的零串扰响应,相比传统传感方法具有独特优势,在小型化的同时提供了高灵敏度[1]。
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1 r  p1 W: @8 B- L  _零串扰传感的概念
7 x, r6 o8 _, N! _4 B该传感器的核心理念是利用SWGs的各向异性特性,在两个耦合波导之间实现零串扰条件。与传统的定向耦合器不同,该传感器在光谱中呈现单一的传输凹陷,对周围折射率变化高度敏感。

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图1:基于SWG辅助的零串扰RI传感器示意图,展示了器件结构和关键组件。

- K( @% y& N3 u传感器由两个平行的硅波导组成,SWGs垂直于传播方向排列。通过精心设计SWG参数,可以在特定波长创造波导间串扰为零的条件。这个零串扰点对包层折射率变化高度敏感,构成了传感机制的基础。

设计与优化
为实现最佳传感性能,需要考虑几个关键参数:
1. SWG设计:亚波长光栅对创造零串扰所需的各向异性环境至为关键。光栅周期、占空比和宽度经过精心优化以实现预期效果。
2. 波导几何:耦合波导的宽度和间隔影响导波模式与传感介质的相互作用。
4 y0 N% O+ s7 L- ], Q3. 工作波长:传感器设计为在电信C波段约1550 nm处工作,以兼容标准光子组件。
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/ R# e# K, d7 }! H, ^3 W: k图2:3D弗洛凯模态仿真的设计优化结果,展示了不同包层折射率下的耦合长度和功率比。

使用3D弗洛凯模态分析的数值仿真有助于优化这些参数。目标是最大化零串扰点对包层折射率变化的敏感性,同时保持清晰明确的光谱特征。
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5 `* @. D( V7 `/ ]SWGs增强灵敏度
在此传感器设计中使用SWGs的一个关键优势是相比传统条形波导灵敏度得到提高。SWG结构允许光学模式与传感介质有更大的相互作用。
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, h; Q$ @+ m# g3 H/ q图3:比较SWG和条形波导配置的灵敏度分析,展示了基于SWG的传感器性能提升。

* p* C/ |. G1 w外部限制因子代表与包层相互作用的光场分量,在SWG波导中显著更高。这导致耦合波导的对称和反对称模式之间的模态灵敏度差异更大,最终提高了器件灵敏度。

实验验证
% f' k& {! j4 E2 x6 l* I1 B" w为验证概念,在硅绝缘体(SOI)平台上使用电子束光刻和反应离子刻蚀制造了传感器。用于表征传感器性能的实验装置如下所示:
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图4:实验表征装置,包括器件的光学图像和SWG结构的SEM图像。
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2 T2 ?4 o6 _  ~3 u5 k使用可调谐激光源和功率计监测直通和耦合端口输出,测量了传感器对不同包层折射率的响应。结果显示随着包层折射率增加,光谱凹陷明显蓝移。

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图5:不同包层液体折射率下测得的功率比光谱,显示零串扰点的蓝移。

5 S- P$ C: f4 M3 z3 I7 `' q性能指标
0 _, l3 R. G% _实验结果揭示了这种新型传感器设计的优异性能指标:
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波长灵敏度：约-410 nm/RIU(折射率单位)

强度灵敏度：395 dB/RIU

器件占用面积：82.8 μm2

系统检测限：2.4 × 10?? RIU(波长),5.2 × 10?? RIU(强度)

这些数据展示了传感器的高灵敏度和紧凑尺寸,使其能与其他最先进的硅基光电子RI传感器竞争。

: t/ O7 h8 u- ?实时传感能力
该传感器的一个重要特性是能够实时监测折射率变化。这通过使用不同浓度的水中异丙醇(IPA)溶液得到了验证。
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5 M$ T) T: n8 C2 A图6:时域响应演变,显示不同IPA浓度水溶液的实时传感。
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通过固定输入激光波长并持续监测输出功率比,传感器可以检测到引入传感区域的不同IPA浓度所造成的微小折射率变化。
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1 w4 t6 O) O' M. D: M/ e4 }相比传统传感器的优势
这种基于零串扰SWG的传感器相比传统方法具有几个优势:

无自由光谱范围(FSR)操作：不同于环形谐振器或马赫-曾德干涉仪,该传感器没有自由光谱范围限制,允许更宽的检测范围。

紧凑占用面积：器件在极小面积内实现高灵敏度,适合密集集成。

简单读出：光谱响应的切线性质允许在固定波长进行简单的基于强度的读出。

多功能性：传感器适用于波长和强度两种询问方案,提供了测量方法的灵活性。
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结论
' }4 I% i8 P; u% n, P7 z4 b! m: p本文介绍的零串扰硅基光电子RI传感器代表了片上传感技术的进展。通过利用亚波长光栅的独特特性,该器件实现了高灵敏度、小型化和多功能操作。潜在应用范围从生化传感到气体检测,为未来集成光子传感解决方案提供了很好的平台。

参考文献
7 x+ H* ]6 F9 \1 E* ]! F9 _[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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