基于悬浮波导和狭缝波导的非对称MZI折射率传感研究.pdf

摘要

折射率传感在农业生产、生物化学检测、保护环境和医疗卫生等领域具有非常重要

的意义。集成光波导传感器是用于折射率传感的重要检测器件，与传统的传感器相比其

具有折射率灵敏度高、快速响应、易于集成、不易受电磁干扰的优点。随着光子集成电

路(PhotonicIntegratedCircuit.PIC)的快速发展，作为光子集成电路重要组成部分的集成

光波导传感器也越来越普及。为了实现高折射率灵敏度、低检测限的折射率传感器，本

文提出了将悬浮波导和狭缝波导分别与马赫曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder

InterferometersMZI）相结合，设计高性能集成光波导传感器的方案。集成光波导传感器

主要有表面等离子体共振结构（SurfacePlasmaResonance，SPR）、波导光栅结构、微环

（Microring，MR）结构、MZI等结构。在各种集成光波导传感器中，集成MZI结构传

感器由于其高折射率灵敏度和宽动态范围以及制造简单不易受外界环境干扰而受到广

大科研工作者的关注。因此，本文选择研究基于MZI的集成光波导折射率传感器。

本文首先研究了一种基于双臂悬浮的非对称MZI（BASMZI）传感结构，解决了由

于消逝场与待测物质接触太少而造成的折射率灵敏度低的问题。我们提出了一种悬浮结

构的砷化镓(GaAs)波导，利用有限元(finiteelementmethod,FEM)法分析了它的模式特性；

研究了波导在TE和TM两种模式下的波导灵敏度特性和有效折射率特性随波导芯层尺

寸的变化规律。根据MZI的工作原理将芯层宽度不同的悬浮GaAs波导运用到MZI的

双臂中，设计一个双臂悬浮非对称的MZI传感结构(BASMZI)。最后对设计的传感结构

进行模拟生化传感。仿真结果显示如果待测物质的折射率范围为1-1.03，则BASMZI的

折射率灵敏度为140.7nm/RIU，Q值为3078.5，检测限为0.000895。若待测物质的折射

率范围为1.333-1.3592，则BASMZI的折射率灵敏度为854.5nm/RIU，Q值为208.2，检

测限为0.00057。BASMZI具有高折射率灵敏度和低检测限在生化检测中具有潜在的应

用前景。

其次，为了避免由于波导芯层尺寸太小而增加传输损耗的问题，我们又适当减小了

BASMZI传感臂和参照臂的波导芯层高度，增大双臂波导芯层的宽度。除此之外，将参

照臂用SiO2层覆盖使其波导灵敏度为0，将传感臂暴露在空气中，预留传感窗口。最终

在保证消逝场与待测物质充分接触的基础上将BASMZI优化为只有传感臂悬浮的非对

称MZI（ASMZI）传感结构并对ASMZI的传感性能进行模拟。优化后的传感结构提高

了折射率灵敏度，降低了检测限。ASMZI在生物化学检测和医疗卫生方面具有潜在的应

用前景。

最后为解决较短的传感长度存在折射率灵敏度较低的问题，我们设计了基于狭缝波

导的非对称MZI（ASLMZI）传感结构。与之前我们设计的MZI传感结构不同，ASLMZI

传感结构使用狭缝波导组成传感臂，条形波导组成参考臂,双臂结构非对称。由于狭缝波

导的光强度集中在亚波长尺寸的低折射率区域（狭缝区域）中，在此区域光与待测分析

物会有更充分的相互作用。我们通过数值模拟的方法对狭缝波导进行模式分析，计算了

狭缝的宽度（gap）与归一化光功率和归一化光强度的关系，分析了gap=100nm时狭缝

波导的波导灵敏度与狭缝波导尺寸的关系。与使用条形波导作为传感臂的传统MZI型

传感结构相比，ASLMZI传感结构可以在较短的传感长度下获得高达329.4nm/RIU的折

射率灵敏度。ASLMZI易于集成，制造简单可应用于生化检测，人类健康检测等领域。

本文对MZI型集成光波导传感结构的研究，为其在微纳光子集成中的应用打下了

一定的研究基础，为实现集成化程度高和性能优良的生化传感器提供了设计方案。此外，

我们的研究可应用于无标记生化检测领域，还可以与微流控技术相结合制造性能优异，

成本低廉的传感器。

关键词：集成光波导，马赫曾德尔干涉仪，折射率传感，狭缝波导，灵敏度