用于折射率检测的氮化硅谐振腔的设计与实现

《Optics and Lasers in Engineering》：Design and implementation of silicon nitride resonant cavities for refractive index detection

本研究设计并制造了一种基于硅氮化物（Si?N?）共振腔的高性能折射率传感器。通过引入亚波长光栅结构，在保留高Q因子（≈3.9×10?）的同时，灵敏度从201.5 nm/RIU提升至341.5 nm/RIU，增幅达69.48%。该传感器采用CMOS兼容工艺，实验验证其在生物传感等应用中的高分辨率和可扩展性。

　　该研究介绍了一种基于硅氮化物（Si?N?）谐振腔平台的高性能折射率传感器的设计、制造和实验评估。这种传感器通过引入亚波长光栅（subwavelength grating）段，显著提升了其对折射率变化的敏感度，同时保持了与CMOS工艺的兼容性，使得其在大规模生产中具有实际应用潜力。该研究的成果不仅展示了亚波长光栅在增强光子传感器性能方面的优势，也为未来的生物传感、环境监测和化学分析应用提供了新的思路。

在集成光子学领域，谐振腔作为构建高性能光学传感平台的关键组件，因其微型化特性与极高的灵敏度而受到广泛关注。常见的谐振腔结构包括 whispering-gallery-mode（WGM）谐振腔、光子晶体（PhC）腔以及环形谐振腔（RRs）等。这些结构通过限制光在特定的光学路径中传播，增强了光与周围材料的相互作用。当外部环境发生变化，例如周围介质的折射率（RI）或吸收特性发生改变时，谐振腔的共振条件将受到影响，从而引发可检测的波长偏移。这种环境变化与光学响应之间的直接联系，使得谐振腔成为一种高效的传感元件。通过精确控制共振波长的变化，可以实现对极微小环境扰动的高精度监测。

硅氮化物（Si?N?）作为一种重要的集成光子学材料，因其卓越的光学、热学和机械性能而受到越来越多的关注。其在可见光到中红外波段的广泛透明性，结合低传播损耗和强大的功率处理能力，使其成为光通信、传感和非线性光子学等多种应用的理想选择。此外，硅氮化物在CMOS兼容的制造工艺中的应用，使其在大规模、低成本的生产方面具有显著优势。这一特性不仅降低了设备的制造成本，也促进了其与芯片上电子元件的集成，从而在化学、生物和环境监测等领域展现出广阔的应用前景。

在当前的集成光子传感技术中，如何在有限的设备尺寸内优化光与物质的相互作用，同时保持较低的制造复杂度，已成为研究的重点。传统的波导谐振腔在提升灵敏度的同时，常常面临设备尺寸与制造容差之间的权衡问题。例如，为了实现更高的灵敏度，通常需要增加光与物质的相互作用长度，但这样做可能会导致设备体积增大或制造精度要求提高。为了解决这一问题，研究者们开始探索新的设计策略，其中引入亚波长光栅结构被认为是一种有效的方法。亚波长光栅能够通过调整波导的有效折射率（n_eff）分布，增强光的约束能力，同时延长光与周围介质的相互作用长度，从而在不显著增加传播损耗的情况下提升传感器的性能。此外，亚波长光栅还能够实现对光波的色散特性进行调控，这对于改善相位匹配条件和扩展传感器的工作波长范围具有重要意义。

硅氮化物平台上的亚波长光栅增强型谐振腔结合了高固有品质因数（Q-factor）、低热光系数和强场与传感介质的重叠特性，使得其在高灵敏度、低检测限（LoD）和可扩展制造方面具有显著优势。这种传感器的高灵敏度使其能够检测到极低浓度的分析物或微弱的分子结合事件，这对于生物传感等需要高分辨率的应用至关重要。同时，由于其优异的热稳定性，该传感器在面对环境变化时仍能保持稳定的性能，这对于实际应用中的可靠性提出了更高的要求。

为了实现这一目标，研究人员在谐振腔的往返路径中引入了约8-9%的亚波长光栅段。这一设计策略不仅提升了传感器的折射率灵敏度，还保持了高固有Q因子，从而确保了共振峰的尖锐性和精确性。实验结果显示，基线谐振腔的折射率灵敏度为约201.5 nm/RIU，而在引入亚波长光栅后，灵敏度提升至341.5 nm/RIU，增幅达到69.48%。这一显著的提升表明，亚波长光栅在增强光子传感器性能方面具有巨大的潜力。同时，该传感器在标准折射率液体（折射率范围为1.395-1.403）中的实验测试也表明，其能够稳定地检测到折射率的变化，并呈现出一致的共振红移现象，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

在制造方面，研究人员采用了先进的CMOS兼容工艺，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术。这些工艺不仅确保了器件在晶圆级制造中的可重复性，还降低了生产成本，提高了大规模生产的可行性。通过精确的工艺控制，研究人员成功地在硅氮化物平台上实现了亚波长光栅段的集成，从而构建出一种具有高灵敏度和高稳定性的折射率传感器。这一成果为未来集成光子学传感器的大规模应用奠定了坚实的基础。

在实验验证过程中，研究人员使用了宽带光源（DL-BP1–1501A SLED，Ibsen Photonics）作为光源，并通过Fibrain MFD Tapered PM Fibers将光耦合进总线波导中。实验中，研究人员通过微机械XYZ平台优化了光学功率，以确保最大化的输出信号。虽然插入损耗未被深入探讨，但该实验结果仍然表明了传感器在实际操作中的有效性。此外，研究人员还对折射率传感实验进行了详细分析，展示了传感器在不同折射率条件下的响应特性。这些实验结果不仅验证了传感器的设计理念，还为未来的实际应用提供了重要的数据支持。

该研究的结论表明，所提出的硅氮化物谐振腔传感器在保持高固有Q因子的同时，通过引入亚波长光栅段显著提升了折射率灵敏度，达到了约341.5 nm/RIU的水平。这一性能指标使其成为目前报道的硅氮化物基传感器中表现最为优异的之一。此外，该传感器的紧凑结构和CMOS兼容性使其在便携式、高分辨率的生物传感平台中具有广阔的应用前景。通过进一步优化设计和制造工艺，有望在未来实现更广泛的实际应用，如医疗诊断、水质监测和化学分析等。

本研究的成果不仅在技术层面具有重要意义，也在实际应用中展现出巨大的潜力。随着对实时、无标记检测需求的不断增长，尤其是在医疗、环境和工业检测等领域，高性能的集成光子传感器将成为未来发展的关键方向。通过引入亚波长光栅结构，研究人员成功地在硅氮化物平台上实现了高灵敏度的折射率传感，同时保持了制造工艺的兼容性和设备的稳定性。这一突破为后续研究提供了重要的参考，并有望推动集成光子学传感技术在更广泛领域的应用。

此外，该研究的实施过程也体现了跨学科合作的重要性。从设计到制造，再到实验验证，每个环节都需要专业知识和技能的结合。研究人员不仅在光子学设计方面进行了深入探索，还在材料科学、微纳加工和电子工程等领域取得了重要进展。这种多学科交叉的合作模式，为未来的科学研究和技术创新提供了新的思路和方法。

从长远来看，这一研究为集成光子学传感器的发展提供了新的方向。随着光子学技术的不断进步，未来的传感器将更加小型化、智能化和高精度化。而硅氮化物平台上的亚波长光栅增强型谐振腔，作为一种兼具高灵敏度和高稳定性的传感器结构，将在这一进程中发挥重要作用。通过不断优化设计和制造工艺，研究人员有望在未来开发出更高效、更实用的传感器，满足日益增长的市场需求。

综上所述，该研究通过引入亚波长光栅结构，显著提升了硅氮化物谐振腔传感器的折射率灵敏度，同时保持了高固有Q因子和CMOS兼容性。这一成果不仅为集成光子学传感技术的发展提供了新的解决方案，也为未来的生物传感、环境监测和化学分析应用奠定了坚实的基础。随着相关技术的不断成熟，这种传感器有望在更广泛的领域中得到应用，为科学研究和工业实践带来新的机遇和挑战。