《Advanced Optical Technologies》：Robust SiON rib waveguides for CMOS-compatible surface plasmon resonance sensing of aqueous analytes
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氮氧化硅（SiON）是一种高度适应性强的光子集成电路材料平台，因其折射率可调谐性和完全CMOS兼容性而备受青睐。在本工作中，研究人员展示了一种基于稳健SiON脊形波导的集成表面等离子体共振（SPR）传感器。利用二维有限元法（FEM）仿真对传感器几何结构和模式特
氮氧化硅（SiON）是一种高度适应性强的光子集成电路材料平台，因其折射率可调谐性和完全CMOS兼容性而备受青睐。在本工作中，研究人员展示了一种基于稳健SiON脊形波导的集成表面等离子体共振（SPR）传感器。利用二维有限元法（FEM）仿真对传感器几何结构和模式特性进行了优化。通过在550–915 nm光谱范围内的直接边缘耦合评估了传感器性能。首先通过跟踪金厚度为20–40 nm、以二甲基亚砜（DMSO, n = 1.47）为分析物时的共振凹陷，研究了等离子体层的影响。随后模拟了近似体积比水-异丙醇（IPA）混合物（n = 1.33–1.38）的响应，获得了158 nm/RIU的平均灵敏度，其从80（水）变化至350（IPA）nm/RIU，并随分析物折射率增加而增大。结果证实，将SiON纤芯折射率与目标分析物匹配可增强倏逝波耦合，从而提高灵敏度。折射率可调谐性、稳健的架构和简单的CMOS兼容制造工艺相结合，使该平台成为用于芯片实验室传感的多功能候选方案。
氮氧化硅（SiON）材料平台因其折射率在二氧化硅（SiO
2，n≈1.45）和氮化硅（Si
3N
4，n≈2.0）之间连续可调，且与CMOS工艺完全兼容，为集成光子学提供了高度灵活的设计空间。表面等离子体共振（SPR）传感通过金属–介质界面处表面等离子体激元的共振耦合实现无标记、实时检测，在生物化学分析中具有重要价值。然而，传统SPR波导结构常面临制造复杂、灵敏度受限或与CMOS工艺不兼容等问题。为此，研究人员设计并验证了一种基于稳健SiON脊形波导的集成SPR传感器，利用SiON折射率可调特性匹配目标分析物，以增强倏逝波耦合并提升传感性能。该研究通过二维有限元法（FEM）优化波导几何结构和金层厚度，结合实验验证，证明了该平台在芯片实验室传感中的潜力。论文发表于《Advanced Optical Technologies》。
研究人员采用二维有限元法（FEM）对脊形波导结构进行模拟，确定最佳几何参数：平板厚度5.6 μm、总脊高8 μm、脊宽10 μm，金层厚度范围为20–40 nm。实验上，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备SiON芯层，通过光刻和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）形成脊形结构，再利用物理气相沉积（PVD）沉积金层。样品通过直接边缘耦合进行光谱表征，在550–915 nm范围内测量透射响应。
**脊形波导结构的等离子体特性与有限元模拟**：通过二维FEM模拟，研究人员计算了不同金层厚度下基模的有效折射率虚部，发现TM偏振在共振波长处出现明显吸收峰，而TE偏振无共振行为。以DMSO（n=1.47）为分析物时，30 nm金层对应的SPR共振波长位于724 nm，并给出了电场分布验证等离子体激发。
**SiON脊形波导结构的制造工艺**：采用CMOS兼容工艺成功制备了SiON脊形波导。实验中通过调节PECVD前驱体气体流量将SiON折射率控制在n=1.54。刻蚀深度约2.4 μm，与设计值一致。SEM图像显示平板厚度和脊宽存在轻微偏差，但由于大截面波导对亚微米几何偏差不敏感，共振条件未受显著影响。
**SiON脊形波导结构的表征**：金厚度研究显示，20–40 nm范围内共振凹陷位置随厚度变化，经过厚度修正（有效厚度25、30、35 nm）后实验与模拟吻合良好。折射率响应实验使用水-异丙醇（IPA）混合物（n=1.33–1.38），测得平均灵敏度158 nm/RIU，灵敏度从水的80 nm/RIU增大至IPA的350 nm/RIU，且随分析物折射率增加而升高。实验还发现侧壁SiO
2残留对传感性能影响可忽略。
讨论部分指出，TM偏振是SPR响应的主要贡献者，高阶模式主要传播于平板区域，仅贡献背景信号。金厚度拟合说明薄膜光学常数与厚度相关，需将厚度作为有效参数。SiON折射率匹配是提高灵敏度的关键，但分析物折射率过度接近芯层会导致共振展宽，因此材料可调谐性至关重要。与其他传感器相比，该平台避免了电子束光刻等复杂工艺，在灵敏度与制造简便性之间取得了良好平衡。未来可通过降低表面粗糙度、集成偏振控制元件等方式进一步优化。
研究结论：本工作设计、制造并实验验证了一种用于集成SPR传感的SiON脊形波导平台。通过DMSO分析物和金层厚度研究验证了传感机制，水-IPA混合物测量获得平均灵敏度158 nm/RIU，并随分析物折射率升高而增大。该平台在性能与可实施性之间提供了有效折中，其折射率可调性和CMOS兼容性使其适用于芯片实验室系统。后续工作将聚焦于优化SiON材料特性和波导几何结构，以匹配特定生物和化学靶标，拓展其应用范围。
