无标记、超高灵敏度的波长位移传感技术，采用高对比度的硅/空气光子微腔实现

《Micro and Nanostructures》：Label-Free Ultra-Sensitive Wavelength-Shift Sensing with a High-Contrast Si/Air Photonic Microcavity

　　比巴图斯·库伊里（Bibhatsu Kuiri）| 戈尔·坎蒂·钱德拉（Gour Kanti Chandra）| 阿尔潘·查克拉博蒂（Arpan Chakraborty）| 莫希特·亚达夫（Mohit Yadav）
印度旁遮普邦莫哈利（Mohali）昌迪加尔大学（Chandigarh University）大学研究中心（University Centre for Research and Development），邮编140301

**摘要**
在本研究中，提出了一种交替孔隙硅光学气体传感器（APSi-OGS），作为一种无标记的一维光子微腔，其在近红外波段工作。该结构实现为Si/空气分布的布拉格反射腔，能够在光子阻带内支持强局域化的缺陷共振，从而通过精确的共振位置跟踪实现基于波长的传感。低折射率腔区域的折射率从1.0001变化到1.0009时，共振波长会从1550.1140纳米单调红移，其线性度接近理想状态。在整个传感范围内，共振线宽保持在0.0080纳米左右，品质因数（Q值）非常高，性能指标也非常出色。此外，角分辨反射率分析显示缺陷模式具有强烈的角度色散，这表明该传感器既具有角度辅助检测的潜力，也需要稳定的光学对准。总体而言，所提出的APSi-OGS为气体介质中微弱折射率变化的无标记光学传感提供了一种紧凑且高性能的解决方案。

**引言**
无标记光学气体传感面临诸多挑战：最重要的目标气体往往浓度低、反应性强且寿命短，而它们所处的环境通常噪声大、湿度高且化学成分复杂。许多现有的传感器类型在实用性上存在妥协——如工作温度高、基线漂移或交叉敏感性问题，尤其是在实际应用条件下这些问题会更加严重[1]、[2]。光学传感的吸引力在于它可以将传感头与电子设备分离，实现远程检测、抗电磁干扰以及简单的多路复用。然而，只有当换能器能够将微小的环境扰动转化为明确、可重复且易于追踪的光谱特征时，光学系统才能达到“传感器级”性能[3]、[4]。

由高折射率层和低折射率层交替组成的1D层状结构可以形成通过布拉格反射抑制光传播的阻带[5]；缺陷层的存在通过局域化腔模式进一步增强了阻带效果，这是微腔传感的核心优势[6]。这类结构为设计特定共振提供了直接的方法[7]。对于气体传感而言，关键扰动是堆栈中空隙区域的折射率变化[7]：当气体折射率从n1变化到n2时，腔内积累的光学相位会发生变化，缺陷模式会重新定位以满足共振条件[8]。在最紧凑的形式下，传感的可观测量是波长偏移，常用的灵敏度指标为Δλ/Δn[9]、[10]。选择性通常通过前端处理（表面化学修饰、过滤、采样）来实现，而光子结构的作用是保持光谱特征的清晰度和稳定性，这种清晰度由品质因数（Q值）来衡量。

硅是这类设备的理想材料，因为它在近红外波段具有较高的折射率对比度、低的光学损耗，并且与平面微制造工艺兼容[11]、[12]、[13]。但这些优势同时也带来了工程上的限制：共振特性必须在厚度公差、表面变化以及环境因素（尤其是温度和湿度）的影响下仍然可解释。因此，设计时需要将传感场集中在可接触气体的区域，并使用尽可能少的反射镜周期来实现强约束，以产生窄的缺陷特征，同时避免制造复杂性对性能产生过大影响[14]。

然而，实际传感性能不仅仅取决于灵敏度[15]：如果共振在扰动下发生显著变化（如带宽变宽、分裂或对比度降低），则难以可靠地追踪。因此，品质因数（Q值）不仅是一个光子学指标，也是一个传感指标，因为它决定了在给定仪器分辨率和噪声水平下共振峰的定位精度[17]、[18]。研究人员关心的性能指标是在实际公差范围内（如缺陷厚度和反射镜对数量）同时实现高斜率（Δλ/Δn）和窄线宽（Δλ/Δn）。最近的研究集中在H2S气体传感[20]、太赫兹气体传感[21]以及使用布拉格层的多重检测系统[22]上。一个设计良好的交替折射率微腔可以实现罕见的平衡：一种适用于电信波段的无标记架构，能够产生超窄的、可追踪的缺陷共振，其波长偏移随低折射率区域的扰动而可预测地变化，从而实现高灵敏度的传感同时保持可解释性和鲁棒性。

在本研究中，我们开发了交替孔隙硅光学气体传感器（APSi-OGS），这是一种通过反射光谱的波长检测来实现无标记气体传感的缺陷工程化硅多层微腔[23]、[24]。该结构概念上由高对比度的一维光子晶体组成——交替的硅层和低折射率空气层，中间有一个中心缺陷腔，气体渗透到空隙/多孔区域时会导致接近1550纳米处的共振波长发生偏移。通过传输矩阵模拟，我们确定了基带带隙与缺陷响应的关系，验证了模式局域化，并量化了传感性能（包括共振偏移、线宽、品质因数以及对腔厚度和反射镜对变化的鲁棒性）。这些结果表明，APSi-OGS是一种紧凑且基于波长的传感平台，其灵敏度和可解释性来源于精心设计的缺陷模式，而不仅仅是光强度的变化。

**设备几何结构和架构**
所提出的传感器是一种用于电信波段波长编码传感的一维光子晶体微腔，由交替的高折射率硅层和低折射率空气层组成，中间夹有一层故意设计的缺陷层；传感信号是由低折射率区域有效折射率变化（如气体渗透或分析物引入的变化）引起的缺陷模式波长偏移。该多层结构遵循四分之一波长设计规则构建。

**结果与讨论**
基线光学响应证实了强阻带的形成以及在目标波长处出现了局域化的缺陷共振。设计的多层微腔在目标电信波长附近被光学激发，其光谱响应通过传输矩阵框架计算了正常入射下的波长依赖性反射率和透射率。这一基线光谱作为传感器的参考状态。

**结论**
APSi-OGS被证明是一种在1550纳米波长下工作的Si/空气光子晶体微腔，具有高度局域化的缺陷共振模式，适用于波长偏移传感。折射率从1.0001调整到1.0009时，共振波长从1550.1140纳米单调红移至1551.0662纳米，线性度接近理想状态，灵敏度约为XX（具体数值未提供）。共振线宽保持在0.008002-0.012002纳米，品质因数非常高，证实了无需额外附加组件即可实现高灵敏度。

**作者贡献声明**
戈尔·坎蒂·钱德拉（Gour Kanti Chandra）：数据分析、撰写与审稿、方法论研究、概念化。
比巴图斯·库伊里（Bibhatsu Kuiri）：撰写与审稿、原始草稿撰写。
莫希特·亚达夫（Mohit Yadav）：监督工作、软件开发、数据分析。
阿尔潘·查克拉博蒂（Arpan Chakraborty）：撰写与审稿、数据可视化。

**利益冲突**
作者声明没有利益冲突。

**数据获取**
本研究的数据可向通讯作者索取。

**资金支持**
本研究未接受任何外部资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。