周治平　鄧清中

摘要：針對硅基光電子學(xué)在片上光電傳感中的應(yīng)用，分析了硅基片上光電傳感的工作原理，指出該領(lǐng)域的主要研究方向包括：提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本。結(jié)合本課題組的研究成果，總結(jié)了其研究現(xiàn)狀和各研究方向在光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面獲得的諸多進(jìn)展。

關(guān)鍵詞： 硅基光電子學(xué)；片上光電傳感；光電子器件

Abstract： Focusing on the application of silicon photonic on-chip sensing， we point out that enhancing the sensitivity， improving the selectivity， reducing the temperature dependency， and lowering the cost are main research directions of silicon photonic on-chip sensing. The research status and progress in photoelectric sensor structure design are also summarized in this paper.

Key words： silicon photonics； on-chip sensing； photonic devices

硅基光電子學(xué)主要研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)[1]，其具有片上光通信和片上光電傳感兩大主要應(yīng)用。文章中，我們聚焦于“傳感”應(yīng)用，結(jié)合本課題組在硅基片上光電傳感領(lǐng)域的研究成果對其基本原理以及相關(guān)器件進(jìn)行介紹。

傳統(tǒng)的光電傳感器按結(jié)構(gòu)主要可分為3類：表面等離子體型[2]、光纖型[3]、集成光波導(dǎo)型[4]。表面等離子體型傳感器利用金屬-介質(zhì)界面作為傳感結(jié)構(gòu)，在這一界面橫磁波模式（TM）和金屬表面電子的相互耦合形成一種特殊的電磁表面波模式——表面等離子體激元（SPP），其特點是金屬材料易于吸附生化分子，吸附后會對SPP的傳播特性產(chǎn)生顯著影響從而實現(xiàn)對吸附物的傳感；光纖型光電傳感器以光纖（圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)）為傳感介質(zhì)，其中待傳感物質(zhì)作為包層材料，利用光纖傳輸模式中的倏逝場與包層材料的相互作用實現(xiàn)傳感；集成光波導(dǎo)型光電傳感器的基本原理與光纖型相同，區(qū)別在于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為平面介質(zhì)波導(dǎo)。文中我們所討論的硅基片上光電傳感器將生物、化學(xué)、物理等各種信息通過器件折射率的變化加載到光波中傳播并最終轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行處理，是集成光波導(dǎo)型和表面等離子體型等光電傳感器的主要發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的光電傳感器，硅基片上光電傳感器具有更高的系統(tǒng)集成度，可以方便地與片上的其他光、電功能器件進(jìn)行傳感系統(tǒng)的單片集成。

1 硅基片上光電傳感原理

硅基片上光電傳感的基本結(jié)構(gòu)為光波導(dǎo)，如條形波導(dǎo)、溝道波導(dǎo)等。不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會有不同的傳感性能，但工作原理相同。文中，我們以條形波導(dǎo)為例簡述其工作原理。硅基條形波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，包括襯底、波導(dǎo)芯區(qū)、上包層。根據(jù)導(dǎo)行電磁波理論，波導(dǎo)中的導(dǎo)?？梢员硎緸椋?/p>

[E（x，y，z）=Et（x，y）?e-jneffk0z] （1）

式（1）中[E]為光波的電場強(qiáng)度，可以表達(dá)為橫截面上的強(qiáng)度分布[Et]與傳播方向的相位變化[exp（-jneffk0z）]；[k0=2πλ]為光波在真空中傳播時的波矢，僅與光波長[λ]相關(guān)；[neff]是導(dǎo)模的有效折射率?；５腫Et]在波導(dǎo)中的分布如圖1b）所示，光場主要分布在波導(dǎo)芯區(qū)，但也有部分光波分布在襯底和上包層中。因此有效折射率[neff]主要由波導(dǎo)芯區(qū)材料折射率[n芯]決定，同時也與襯底和包層的材料折射率（[n襯]與[n包]）相關(guān)。在線性近似下，[neff]可表達(dá)為：

由式（1）、（2）可見，波導(dǎo)中任一部分的材料折射率的改變都會影響其傳播的光導(dǎo)模的相位。原理上，只要能引起波導(dǎo)中材料折射率變化的物理量都可以被傳感。在實際應(yīng)用中，襯底通常固定為二氧化硅（SiO2），芯區(qū)材料為硅（Si）。通常利用待傳感的物理量去影響上包層的材料折射率來實現(xiàn)傳感；但待傳感量反映在輸出光波的相位中，而光波的相位無法進(jìn)行直接監(jiān)測。因此需要利用干涉或諧振結(jié)構(gòu)來間接監(jiān)測，其中最具代表性的是圖2a）所示的微環(huán)諧振腔[5-6]。當(dāng)入射光波長[λ]滿足式（3）時，微環(huán)內(nèi)將會發(fā)生諧振。由此可見當(dāng)待傳感量引起[neff]變化時，諧振波長也會發(fā)生相應(yīng)的漂移。

利用耦合模理論[7]可以進(jìn)一步得出微環(huán)的傳輸譜，如圖2b）所示。傳輸譜的極小值處對應(yīng)于式（3）中的諧振波長。諧振波長隨待傳感量發(fā)生漂移時，有兩種方法進(jìn)行監(jiān)測：測量微環(huán)的傳輸譜，監(jiān)測諧振波長的變化情況，稱之為波長監(jiān)測；固定工作波長在諧振波長附近，監(jiān)測輸出光強(qiáng)的變化情況，稱之為強(qiáng)度監(jiān)測。

前述理論分析將可引起材料折射率變化的物理量傳感為光波強(qiáng)度或諧振波長這些可直接監(jiān)測的物理量。接下來將結(jié)合研究實例介紹硅基片上光電傳感的幾個主要的研究方向包括提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本等。

2 提升傳感靈敏度

靈敏度指的是傳感器能夠檢測到的最小的待傳感量的變化量，它是傳感器的基礎(chǔ)特性。提升靈敏度則依賴于對器件本身原理的研究。對于波長監(jiān)測，相同待傳感量的變化引起的有效折射率變化量越大則靈敏度越高。根據(jù)式（2）可知，讓光波導(dǎo)模的光場更多地分布在上包層中，即可提升采用上包層進(jìn)行傳感時的靈敏度。如圖3所示的溝道波導(dǎo)可以將光場主要限制在上包層的溝道區(qū)域內(nèi)，其已被廣泛用于提升傳感靈敏度[8]。此外，本課題組借鑒于游標(biāo)卡尺原理提出了圖4所示的多譜線漂移傳感結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)通過檢測傳感環(huán)與參考環(huán)“重疊諧振峰”的漂移，其傳感靈敏度相對于單環(huán)結(jié)構(gòu)提升了100倍，可達(dá)2×10?6折射率單位（RIU）[9]。endprint

對于強(qiáng)度監(jiān)測，除可類似于波長監(jiān)測通過提升有效折射率隨待傳感量的變化率來提升靈敏度外，還可通過提升微環(huán)諧振波長附近傳輸譜線的斜率來提升靈敏度。采用如圖5a）所示結(jié)構(gòu)，由波導(dǎo)端面反射而產(chǎn)生的光場在直波導(dǎo)中形成法布里-珀羅（FP）諧振，其會和環(huán)形諧振腔中的諧振相互耦合，將原有環(huán)形諧振腔中的相位反饋到諧振當(dāng)中，形成Fano諧振。具有Fano諧振特點的譜線具有非對稱的譜線分布，一側(cè)譜線的斜率將大幅增加，其傳感靈敏度可達(dá)10-8 RIU [10]。采用如圖5b）所示結(jié)構(gòu)，將微環(huán)嵌入馬赫曾德干涉儀（MZI）干涉結(jié)構(gòu)中可以增加傳輸譜斜率[11]。兩種結(jié)構(gòu)的傳感靈敏度分別可以達(dá)到～1.17×10-7 RIU和～4.9×10-8 RIU。

3 增加傳感選擇性

前文提及的所有研究在傳感時都不具有選擇性，即所有能引起上包層材料折射率變化的物理量都會反映在最終的傳感輸出信號中且不能區(qū)分各個物理量對輸出信號的貢獻(xiàn)比例。這種傳感器可用于已知物質(zhì)的濃度傳感，但不適用于復(fù)雜的生化傳感。生化傳感往往需要從混合物樣本（如血清樣本）中傳感出某一特定組分（如某癌胚抗原）的含量，這就需要傳感器具有選擇性。硅基片上光電傳感器選擇性已經(jīng)被廣泛地研究，基本原理是對傳感器中波導(dǎo)芯區(qū)的表面進(jìn)行預(yù)處理，使其只能吸附特定的待傳感物。例如將抗體作為生物探針預(yù)處理在波導(dǎo)芯區(qū)表層，則其只會選擇性吸附相應(yīng)的抗原[12]。

4 減小溫度相關(guān)性

硅材料具有很強(qiáng)的熱光效應(yīng)，這將使得波導(dǎo)的有效折射率[neff]隨溫度而顯著變化，會嚴(yán)重干擾傳統(tǒng)傳感器對目標(biāo)物理量的傳感。為了減小硅基片上光電傳感器的溫度相關(guān)性，本課題組提出了一種基于雙環(huán)耦合的溫度不敏感結(jié)構(gòu)[13-14]，如圖6a）所示，其傳輸譜如圖6b）所示。溫度變化會使得傳輸譜整體橫向漂移，而待傳感量的變化會使得傳輸譜上下漂移。傳輸譜存在一定的“平底”區(qū)域，當(dāng)溫度變化引起的漂移量在這一范圍時，將不影響傳感。

5 降低系統(tǒng)成本

波長監(jiān)測可以使用低成本的寬帶光源，但需要光譜分析設(shè)備進(jìn)行傳感輸出信號的處理；強(qiáng)度監(jiān)測需要使用波長可精確控制的窄線寬激光器作光源，然后利用光電探測器將傳感信號轉(zhuǎn)換為電信號。波長可精確控制的窄線寬激光器或光譜分析設(shè)備都是十分昂貴的。雖然硅基光電溫度傳感器可通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）光刻工藝進(jìn)行批量加工，具有低成本的特性，但整個系統(tǒng)成本仍舊很高。為了降低系統(tǒng)成本，浙江大學(xué)何建軍教授課題組提出了串聯(lián)雙環(huán)傳感[15]結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將兩個自由光譜范圍具有微小差異的微環(huán)串聯(lián)，并將其中一個微環(huán)用于傳感。當(dāng)待傳感量引起傳感環(huán)的諧振波長漂移時，整個結(jié)構(gòu)的傳輸譜包絡(luò)會在雙環(huán)的游標(biāo)效應(yīng)下顯著變化，從而整個系統(tǒng)可以采用低成本的寬帶光源和光電探測器進(jìn)行架構(gòu)，有效降低系統(tǒng)成本。本課題組也提出了一種低成本光電溫度傳感器[16]，如圖7a）所示。匹配結(jié)構(gòu)參數(shù)使得MZI兩臂滿足非對稱平衡條件，則其傳輸譜將沒有干涉峰，僅是溫度的函數(shù)。如圖7b）所示，傳輸譜隨著溫度的變化而整體上下漂移，因而也可以采用低成本的寬帶光源和光電探測器來構(gòu)建整個傳感系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

硅基片上光電傳感器具有低成本、高系統(tǒng)集成度等諸多優(yōu)點，在未來便攜式傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文章中，我們對其基于倏逝波的傳感原理進(jìn)行了歸納總結(jié)，并結(jié)合本課題組的科研成果對當(dāng)前主要的幾個研究方向進(jìn)行了介紹，包括提升傳感靈敏度，增加傳感選擇性，減小溫度相關(guān)性，降低系統(tǒng)成本。希望這些內(nèi)容能有助于讀者對硅基片上光電傳感及相關(guān)器件的理解，積極推動這一研究領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 周治平.硅基光電子學(xué)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社， 2012

[2] ANKER J N， HALL W P， LYANDRES O， et al. Biosensing with Plasmonic Nanosensors [J]. Nature Materials， 2008， 7（6）： 442-453

[3] LEUNG A， SHANKAR P M， MUTHARASAN R. A Review of Fiber-Optic Biosensors[J].Sensors and Actuators B： Chemical， 2007，125（2）： 688-703

[4] FAN X， WHITE I M， SHOPAVA S I， et al. Sensitive Optical Biosensors for Unlabeled Targets： A Review[J].Analytica Chimica Acta， 2008，620（1-2）： 8-26. DOI： 10.1016/j.aca.2008.05.022

[5] CHEN Y， LI Z， YI H， et al. Microring Resonator for Glucose Sensing Applications[J].Frontiers of Optoelectronics in China， 2009， 2（3）： 304-307

[6] XIA Z， CHEN Y， ZHOU Z. Dual Waveguide Coupled Microring Resonator Sensor Based on Intensity Detection [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2008，44（1）： 100-107. DOI： 10.1109/JQE.2007.909519

[7] YARIV A. Universal Relations for Coupling of Optical Power between Microresonators and Dielectric Waveguides [J]. Electronics Letters， 2000， 36（4）： 321-322. DOI： 10.1049/el：20000340endprint

[8] DELL'OLIO F， PASSARO V M. Optical Sensing by Optimized Silicon Slot Waveguides[J].Optics Express， 2007，15（8）： 4977-4993.DOI： 10.1364/OE.15.004977

[9] YI H， CITRIN D S， CHEN Y， et al. Dual-Microring-Resonator Interference Sensor[J].Applied Physics Letters， 2009， 95（19）： 191112. DOI： 10.1063/1.3263726

[10] YI H， CITRIN D S， ZHOU Z. Highly Sensitive Silicon Microring Sensor with Sharp Asymmetrical Resonance[J].Optics Express， 2010， 18（3）： 2967-2972. DOI： 10.1364/OE.18.002967

[11] YI H， CITRIN D S， ZHOU Z. Coupling-Induced High-Sensitivity Silicon Microring Intensity-Based Sensor[J].Journal of the Optical Society of America B， 2011， 28（7）： 1611

[12] WASHBURN A L， GUNN L C， BAILEY R C. Label-Free Quantitation of a Cancer Biomarker in Complex Media Using Silicon Photonic Microring Resonators [J]. Analytical Chemistry， 2009，81（22）： 9499-9506

[13] YI H， CITRIN D S， ZHOU Z. Highly Sensitive Athermal Optical Microring Sensor Based on Intensity Detection[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2011，44（3）： 354-358. DOI： 10.1364/OE.18.002967

[14] DENG Q， LI X， ZHOU Z， et al. Athermal Scheme Based on Resonance Splitting for Silicon-on-Insulator Microring Resonators[J]. Photonics Research， 2014， 2（2）： 71-74

[15] JIN L， LI M， HE J. Optical Waveguide Double-Ring Sensor Using Intensity Interrogation with A Low-Cost Broadband Source[J]. Optics Letters， 2011，36（7）： 1128

[16] DENG Q， LI X， CHEN R， et al. Low-Cost Silicon Photonic Temperature Sensor Using Broadband Light Source[C]// The 11th International Conference on Group IV Photonics. USA：IEEE， 2014：WP23endprint