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
2 \0 v0 V! F" S4 L  @8 X! `( U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]。

mv1jrczby5k64013893740.png

: W: T7 m. s, }- \; ^  ^
1 M4 G9 j1 R7 n+ R零串扰传感的概念
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。
2 r; i* s, w, d, Y7 P8 s! \) O

bcmmcc302tx64013893840.png

. @9 V. g* [* l& y: x! t$ x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。
* c. H, U! N4 C) C' J( `, {: A
7 {: M4 ~9 k( }/ }: O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。

! Z2 w# q# @' k7 o) `! m2 e设计与优化
为实现最佳传感性能,需要考虑几个关键参数:
  T  n0 \: }& X' ?6 V1. 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。
7 O, T0 y3 p# l0 w0 L7 Z3. 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。

0slbzh1xzd164013893940.png

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。
& e# u5 v" a  i
SWGs增强灵敏度
/ d& A" L+ x1 z6 a/ K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。
% o! |0 n8 J6 g, S& a9 L

1qszckct10x64013894040.png

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。
: D' o8 F# M) m+ }! b4 E; r; R
% |5 ^6 M! f7 d7 \& X% x6 R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
3 t# D: _# o3 m2 L- R! Y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:
0 f2 J, `, Z! z" z8 @0 ^  P

ykkeb1kp1sj64013894141.png

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。
; H' h- n5 W# m
5 Y9 @7 M7 P3 u1 \& N7 w3 c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。
, J/ ~) ~- K3 R4 n, ?9 N

ezsrfn41ppi64013894241.png

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。
  t* h2 m& P' ]  K% u
性能指标
# }% {# K7 d; X! p6 `) x- W0 n实验结果揭示了这种新型传感器设计的优异性能指标:
3 S0 P8 G/ A3 M+ m- W

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)
5 g+ F" G" C' z) ^) v, @2 p
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。

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。

x3ueuy2fzxb64013894341.png

图6:时域响应演变,显示不同IPA浓度水溶液的实时传感。
( c0 w$ s! C) A- m. T$ ^# I5 @' `
& b3 W6 ], g- s8 L( N* [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。
* s$ z! b! ^/ T
4 P( ]2 v1 d. K% R( f) p, m相比传统传感器的优势
) |. Y' f, j/ p: @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。
[/ol]
结论
8 R% P! a7 e6 [) U5 h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
[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.
1 q. H' n; W& V2 D( n0 ]( l# p
END

; o5 V3 Y. e& W: _- g$ D% B
7 ^1 ~: W4 `5 {+ L2 S软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
1 D1 M$ y% }0 D1 _5 X. _- x点击左下角"阅读原文"马上申请
9 m7 a1 ~' G, K6 T/ R
欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
3 g$ I9 ]* g  g) P
6 }, K* K5 G0 i
; a* X- E7 b& W6 \0 \
) Z1 t+ `2 T: E: X! W' n0 I' g- M

lp4z0ovenit64013894441.gif

4 n1 j/ h3 v. C7 M  I
关注我们

* P. D& ~' W6 ^; V

4vkjvrwvq2m64013894541.png

zkfm3sob5ew64013894641.png

' d; k: U% C* F( X b0u1cvbu0yq64013894741.png   k0 ~& V, W- d+ Q+ [" J$ q" @& p

                     



' U0 }; c+ {& G" I4 H关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
" J8 @0 I) C/ k1 E" s$ M（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）