基于悬空槽波导的高灵敏度折射率传感器

介绍了一种基于绝缘体上硅（SOI）的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型高灵敏度折射率传感器。在该传感器中采用悬空槽（SSlot）波导作为传感臂，条形波导作为参考臂，利用两臂不同模式之间的干涉提高传感器的灵敏度。分析了MZI型传感器的工作原理，推导了灵敏度公式，通过灵活调节两臂长度和合理设计SSlot波导，实现了9.824×10⁴ nm/RIU的高灵敏度。该传感器还具有尺寸小、制造简单等优势，可广泛应用于生物医疗、环境监测等领域。

Abstract

Objective

High-sensitivity, miniaturization, and integration sensors are still in great demand in medical detection, environmental monitoring, and other fields. One of the hot issues in the current research on sensors is to improve the sensitivity and reduce the size of sensors. Mach-Zehnder interferometer (MZI) is an important part of integrated optics, which is widely used in optical filters, optical lasers, optical sensors, and other fields. The refractive index sensor based on MZI has been widely utilized in sensing according to its advantages of simple structure, convenient manufacture, and large process tolerance. In general, MZI-based sensors implement sensing by detecting the variety of interference signals between the reference arm and the sensing arm. The proposed sensor schemes based on MZI usually have large sizes and complex structures. Therefore, the study of small-size and high-sensitivity MZI sensors is very suitable for the current development needs.

Methods

To improve the sensitivity of the sensor without increasing the complexity, we choose to add a new type of waveguide to the MZI-based sensor. The sensitivity of the MZI-based sensor is mainly determined by the difference in the length of the two MZI arms and the group refractive index of the optical signal transmitted in the waveguide. In traditional MZI-based sensor schemes, the light transmits in the same mode in the sensing arm and the reference arm, so the group refractive index difference is limited. To solve this problem, we transmit different modes on different MZI arms to obtain ultra-sensitive refractive index sensors. It is found that the sensitivity of a sensor can be improved effectively by increasing the intensity and the contact area between the waveguide and analyte. Therefore, we emit suspended slot mode into the sensing arm, launch TE₀ mode into the reference arm, and adjust the length of both arms to maximize the sensitivity of the sensor.

Results and Discussions

According to formula (13), the sensitivity of the sensor is mainly determined by the waveguide sensitivity (S_W) and the device sensitivity (S₁). The magnitudes of S₁ and S_W are dependent on both the length of the two arms of the MZI and the waveguide structure. The slot gap (g)_{is assumed as 0.1 μm, the height of silicon (H) as 0.22 μm, and the hanging height (d) as 1 μm. According to the calculations, it is shown that within the range of 0.4-0.5 μm, the S_W of the strip waveguide decreases as the width (W_s) of the strip waveguide increases. The S_W of the slot waveguide increases as the waveguide width (W_slot) increases within the range of 0.25-0.26 μm, and the S_W of the slot waveguide decreases as the W_slot increases within the range of 0.26-0.5 μm. S_Wof SSlot waveguide increases with the increase in SSlot waveguide width (W_SSlot) in the range of 0.2-0.23 μm and it decreases with the increase in W_SSlot in the range of 0.25-0.5 μm. The sensitivity of the suspended slot waveguide is superior to that of the slot waveguide and strip waveguide, reaching a maximum of 1.313 (Fig. 5). After optimizing the length of the tapered waveguide (L_taper) and the width of the tapered waveguide (W_taper), the conversion efficiency between TE₀ mode and slot mode reaches 97.3% (Fig.7). The refractive index n of the analytical component region is set from 1.00029 to 1.00049, and the main bandwidth of the sensor spectral line decreases with the increase in refractive index. Through calculation, the sensitivity of the MZI sensor reaches 9.824×10⁴ nm/RIU (Fig. 11).}

Conclusions

We propose a refractive index sensor with high sensitivity, utilizing an MZI based on silicon-on-insulator (SOI). The transmission and sensitivity formulas of the sensor are derived and analyzed. The structures of different waveguides are compared and analyzed, and it is found that the suspended slot waveguide outperforms the other two waveguides. Thus, the strip waveguide is selected as the reference arm and the suspended slot waveguide is selected as the sensing arm in the MZI sensor. Then, we conduct tests on the conversion efficiency between the TE₀ mode and the slot mode in the sensor. After optimizing the length and width of the tapered waveguide, we can achieve a conversion efficiency of 97.3%. Finally, we optimize the arm length of the MZI and change the refractive index of the analyte region to obtain different transmission spectra. By detecting the wavelength shift between different transmission spectra, the sensitivity of the sensor is calculated by the formula to reach 9.824×10⁴ nm/RIU. Our scheme also has the advantages of small size and simple manufacture and can be widely applied in biomedicine, environmental monitoring, and other fields.

1　引言

万物互联的发展使得越来越多的设备被连入网络，社会已经进入信息智能时代。计算机技术、通信技术和传感技术作为信息技术的三大支柱，代表了信息化、智能化程度。与计算机技术、通信技术相比，传感技术发展相对缓慢，为实现信息化、智能化，传感技术亟待研究和提升。在诸多传感器中，折射率传感器^［1-4］因被广泛应用于污水检测、气体检测、化学分析、环境监测等生物、化学、医疗、环保领域^［5-7］，引起众多研究者的兴趣。随着光子集成技术的发展，越来越多的光子微型器件用于计算、通信、信号处理，采用集成材料实现光学折射率传感器已成为传感器领域的又一研究热点。常见的集成光学传感器通常采用Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（如InP、InGaAsP等化合物型半导体材料）、Si材料、Si₃N₄材料和高分子聚合物材料等实现，具有体积小、损耗低、不易受环境干扰的优点。而采用Si材料实现的传感芯片因其与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的优势，更便于与传感系统的其他模块（如光源、调制模块、信号处理等）集成，因此具有重要的研究价值。

目前研究已经报道了多种基于硅基集成光波导结构的折射率传感器方案，大致可以分为如下几类：马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型折射率传感器^［8-11］、亚波长光栅型折射率传感器^［12-13］、多模干涉耦合型折射率传感器^［14］和微环谐振器型折射率传感器^［15-16］。其中MZI型折射率传感器因其对分析物折射率的微小变化高度敏感，已成为应用广泛、常见的折射率传感器类型之一。近年来，随着硅基集成技术的提高，其他微纳结构与MZI相结合的传感器方案不断涌现。2014年浙江大学何建军团队^［17］提出了一种使用游标效应的、基于级联微环和MZI的高灵敏度光学生物传感器，其灵敏度高达21500 nm/RIU。但是，该传感器方案中MZI的两臂长达5400 μm和5150 μm，同时带有级联微环，导致传感器尺寸较大；并且游标效应产生的包络波形检测难度大，容易出现误差。2021年中国地质大学吴志超团队^［18］提出了一种基于亚波长光栅的非对称MZI传感器，其灵敏度达到了40960 nm/RIU，检测限为4.88×10^-7 RIU。该方案利用亚波长光栅Bloch模式和条型波导TE₀模式的干涉实现凹陷峰，再通过检测输出光谱主瓣两侧凹陷峰的位移，实现折射率传感，其灵敏度是检测单边凹陷峰位移的两倍。但亚波长光栅结构复杂、工艺容差小，难以实现大规模集成。此外，近几年来，槽波导结构逐渐受到研究者们的青睐，槽波导结构将光场约束在槽中，相较于普通条形波导，包层分析物与光场的相互作用更强。2020年印度科学学院的Selvaraja团队^［19］提出一种微环与槽波导结合的液体传感器，其灵敏度达到476 nm/RIU。2020年萨马拉国立研究大学的Butt团队^［20］提出一种基于亚波长光栅双槽波导的跑道微环传感器，其灵敏度达到1000 nm/RIU。该方案采用的亚波长光栅双槽波导结构增强了光场与分析物之间的相互作用，其灵敏度约为基于普通槽波导微环结构的传感器的2.5倍。2021年美国开罗大学李勋团队^［21］提出将定向耦合器（DC）两端连接形成回环并与MZI和槽波导结合的一种气体传感器方案。该方案采用的回环结构能有效减小器件的尺寸，该传感器的面积仅为7.08×10^-3 mm²，但其灵敏度较低，仅为1070 nm/RIU。

为了实现尺寸小、结构简单的高灵敏度折射率传感器，本文提出一种基于悬空槽（SSlot）波导的高灵敏度折射率传感器，该方案采用MZI结构，其中：MZI的一臂采用条形波导作为参考臂，传输TE₀模式；MZI的另一臂采用SSlot波导作为传感臂，传输Slot模式。利用两种不同模式间传播常数的差异，在仅6.2×10^-2 mm²尺寸中实现了9.824×10⁴ nm/RIU的高灵敏度。此外，该传感器还具有结构简单、易于制备等优势。

2　基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的工作原理

基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器采用上硅层厚度为220 nm、掩埋层厚度为2 μm的绝缘体上硅（SOI）结构，其结构示意图如图1（a）所示。

图 1. 基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的结构示意图。（a）三维结构；（b）俯视图及相关结构参数

Fig. 1. Schematic diagram of high-sensitivity refractive index sensor based on SSlot waveguide. (a) Three-dimensional view; (b) top view and related structure parameters

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MZI的一臂采用条形波导作为参考臂，而另一条臂采用SSlot波导作为传感臂。光信号从左端口输入，经过Y分支后，分为两部分，上部分光通过参考臂以TE₀模式直接输出，下部分光则先经过1×2 MMI模式转换器，将TE₀模式转换为Slot模式，再通过SSlot波导结构的传感臂，最后经2×1 MMI模式转换器转换回TE₀模式，其在输出端与参考臂输出光发生干涉。利用两臂中传输的不同模式，可以在有限臂长的前提下，使传感器获得超高灵敏度。其中波导厚度H=0.22 µm，宽度W=0.5 μm。波导悬空高度为d，1×2 MMI多模波导的长度和宽度分别为L_m和W_m，锥形波导的长度和宽度分别为L_taper和W_taper，槽间距为g。SSlot波导的长度和宽度分别为L₂（取悬空槽波导中间长度）和W_SSlot，参考臂的长度为L₁。根据以往制备硅基器件的经验，将连接波导的长度L₀设置为5 µm，Y分支的半径r₁设置为23 µm。

图1（a）中耦合光栅结构示意图及各结构参数如图2（a）和2（b）所示。光栅刻蚀深度为0.07 μm，周期数n为32，宽度W_g为16 μm，周期Λ为 0.615 μm。该光栅耦合器结构来源于本课题组之前的工作^［22］，单个耦合器损耗为4 dB~5 dB。

图 2. 耦合光栅结构示意图。（a）三维结构；（b）俯视图及相关结构参数

Fig. 2. Schematic diagram of coupling grating. (a) Three-dimensional structure; (b) top view and related structure parameters

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该方案中存在SSlot波导，因此在常规硅基芯片制备工艺基础上还需要增加制备悬空波导的流程。芯片制备工艺流程可分为三个阶段：波导制备阶段、耦合光栅制备阶段和悬空波导制备阶段。波导制备流程示意图如图3所示。波导制备阶段将完成图1中所有波导结构的制备，具体流程如下：首先对基片进行清洗，然后旋涂PMMA光刻胶并用电子束曝光（EBL）照射波导区域，待显影、定影后采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）技术刻蚀220 nm条形波导，最后去胶（图3第一行）。耦合光栅制备阶段与波导制备阶段相同，其刻蚀深度仅为70 nm（图3第二行）。在这两个阶段制备完成后，首先使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在芯片表面沉积2 µm的SiO₂层，再进入悬空波导制备阶段。再次旋涂PMMA光刻胶并用EBL照射悬空波导区域，经显影、定影后将芯片放入氢氟酸（HF）溶液中浸泡。未经EBL照射区域因光刻胶保护，波导上方和下方的SiO₂层未与HF接触，得以保留；而没有光刻胶覆盖的区域SiO₂层会被HF腐蚀掉，形成悬空波导。最后去胶，完成芯片的制备（图3第三行）。

图 3. 芯片制备流程示意图

Fig. 3. Schematic diagram of chip preparation process

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假设输入传感器的光场强度为E_in，经Y分支后分别进入两分支波导的光场为E₁和E₂，经过参考臂和传感臂后的光场为E $_{1}^{'}$ 和E $_{2}^{'}$ ，最终输出光场为E_out。上述参数间有如下关系：

[\begin{matrix} E_{1} \\ E_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{\sqrt[]{2}}{2} \\ \frac{\sqrt[]{2}}{2} \end{matrix}] E_{i n}

，（1）

[\begin{matrix} E_{1}^{'} \\ E_{2}^{'} \end{matrix}] = [\begin{matrix} η_{1} e x p (i φ_{1}) & 0 \\ 0 & η_{2} e x p (i φ_{2}) \end{matrix}] [\begin{matrix} E_{1} \\ E_{2} \end{matrix}]

，（2）

Δ φ = φ_{1} - φ_{2} = \frac{2 π n_{e f f 1} L_{1}}{λ} - \frac{2 π n_{e f f 2} L_{2}}{λ} + ϕ

，（3）

式中：Δφ表示两臂之间的相位差；η₁和η₂分别是参考臂和传感臂的损耗系数；n_eff1和n_eff2分别是参考臂和传感臂的波导有效折射率；ϕ为传感臂模式转换器引起的相位差；λ为输入光信号波长。则最终输出光场E_out可表示为

E_{o u t} = [\begin{matrix} \frac{\sqrt[]{2}}{2} & \frac{\sqrt[]{2}}{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} E_{1}^{'} \\ E_{2}^{'} \end{matrix}] = [\frac{η_{2}}{2} + \frac{η_{1}}{2} e x p (i Δ φ)] E_{i n}

。（4）

MZI的透射率T可以表示为

T = {|\frac{E_{o u t}}{E_{i n}}|}^{2} = \frac{η_{1}^{2} + η_{2}^{2}}{4} + \frac{η_{1} η_{2}}{2} c o s (Δ φ)

。（5）

由式（5）可知，该传感器输出谱按余弦规律变化，参考臂和传感臂中由波导传输、模式转换等因素引起的损耗仅导致谱线功率下降，并不影响透射谱形状。将波长位移变化量Δλ与折射率变化量Δn的比值定义为灵敏度S_λ^［23］：

S_{λ} = \frac{Δ λ}{Δ n}

。（6）

群折射率n_g可以表示为

n_{g} = n_{e f f} - λ \frac{\partial n_{e f f}}{\partial λ}

。（7）

结合式（3）、式（6）和式（7），可以得到灵敏度S_λ的表达式为

S_{λ} = \frac{Δ λ}{Δ n} = \frac{Δ φ / Δ n}{Δ φ / Δ λ} = \frac{λ}{n_{g 1} L_{1} / L_{2} - n_{g 2} - λ^{2} Δ ϕ / (2 π L_{2} Δ λ)} \times \frac{\partial n_{e f f 2}}{\partial n}

，（8）

式中：n_g1、n_g2分别为参考臂和传感臂的波导群折射率。引入器件敏感度S₁，其表达式为

S_{1} = \frac{λ}{n_{g 1} L_{1} / L_{2} - n_{g 2} - λ^{2} Δ ϕ / (2 π L_{2} Δ λ)}

。（9）

当n_g1L₁/L₂-n_g2-λ²Δϕ/（2πL₂Δλ）趋于0时，S₁趋于无穷大。为了寻找n_g1L₁/L-n_g2-λ²Δϕ/（2πL₂Δλ）趋于0时的波长，构建了K的表达式：

K = \frac{\partial (Δ φ)}{\partial λ} = \frac{2 π L_{2} (n_{g 2} - n_{g 1} L_{1} / L_{2})}{λ^{2}} + \frac{Δ ϕ}{Δ λ}

。（10）

K代表了MZI上下两臂之间的相位差对于波长的导数。K=0处对应的波长就是n_g1L₁/L₂-n_g2-λ²Δϕ/（2πL₂Δλ）趋于0的位置。再将传感臂波导的有效折射率n_eff2对待测分析物折射率n的偏导定义为波导敏感度S_W^［24］，即

S_{W} = \frac{\partial n_{e f f 2}}{\partial n}

。（11）

根据介电波导的变分方程，S_W可以表示为

S_{W} = \frac{\partial n_{e f f 2}}{\partial n} |\begin{matrix} n = n_{0} \end{matrix} = \frac{2 n_{0}}{Z_{0} |P|} {\iint_{C}^{} E |(x, y)|}^{2} d x d y

，（12）

式中：n₀为固定分析物的折射率；Z₀为真空波阻抗；P为坡印亭矢量；C为分析物与光场接触的区域；E为电场向量。灵敏度公式S_λ可以简化为

S_{λ} = \frac{Δ λ}{Δ n} = S_{1} S_{W}

。（13）

由式（13）可知，S_λ由S₁和 $S_{W}$ 共同决定。为使S_λ增大，应尽量增大S₁和 $S_{W}$ 。对于S₁，应在波导结构确定的基础上调节L₁和L₂，使其分母趋近于零；对于 $S_{W}$ ，应合理设计波导结构，增加分析物与波导的接触区域光场强度和增大分析物与波导的接触面积，使分析物与波导接触区域场强积分增大，进而达到传感臂的波导结构对分析物折射率的变化更敏感的目的。

3　基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的结构优化

由上述理论分析可知，该折射率传感器可通过设计传感臂结构获得高S_W值，并通过调节n_g2、n_g1、L₁、L₂等参数获得高S₁值，从而实现高灵敏度。为了进一步提升传感器的性能，采用商用光学仿真平台Lumerical对该结构进行优化仿真。

图4（a）和4（b）分别是条形波导的结构示意图和模场图（其中条形波导宽度为W_s），条形波导的大部分光场被限制在结构内，只有少部分波导外的倏逝场与分析物进行相互作用，光场与分析物之间的接触面积较小、光场强度也较低，因此分析物对波导有效折射率的影响较小。图4（c）和4（d）分别是Slot波导结构的示意图和模场图（其中波导宽度为W_Slot，波导间隔为g）。不同于条形波导，Slot波导结构的光场集中在低折射率材料的槽中，相较于条形波导，分析物与波导的接触区域的光场强度增大，因此可以加强光场与分析物之间的相互作用，提高S_W。本文为了进一步增强光信号与分析物的相互作用，提出一种SSlot波导结构，其结构示意图和模式图如图4（e）和4（f）所示（其中波导宽度为W_SSlot，波导间隔为g，波导与下方SiO₂层的距离为d）。SSlot波导结构下方悬空，因此有更多的光场可与分析物接触。采用该结构作为传感器的传感臂，能进一步提高S_W，从而有效提升传感器的灵敏度。

图 4. 条形波导、Slot波导和SSlot波导的结构示意图及模场图。（a）（b）条形波导；（c）（d）Slot波导；（e）（f）SSlot波导

Fig. 4. Schematic diagrams and mode field diagrams of strip waveguide, Slot waveguide, and SSlot waveguide. (a)(b) Strip waveguides; (c)(d) Slot waveguides; (e)(f) SSlot waveguides

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表 1. 100%体积分数下的不同气体折射率

Table 1. Refractive index of different gas under 100% volume fraction

Gas	Refractive index
CO₂	1.00045
NH₃	1.00038
CH₄	1.00044

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表 2. 不同传感器的性能比较

Table 2. Comparison of performance of different schemes

Sensor	Size /mm²	Sensitivity /（nm/RIU）	Method
Ref.［7］	~1.4×10^-2	7.028×10³	Simulation
Ref.［17］	~1.2	2.15×10⁴	Experiment
Ref.［18］	~8×10^-2	4.096×10⁴	Simulation
Ref.［21］	~7.08×10^-3	1.07×10³	Experiment
Ref.［29］	~1.27×10^-3	1.061×10³	Experiment
This work	6.2×10^-2	9.824×10⁴	Simulation

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首先分析波导宽度对S_W的影响，在固定波长λ₀=1550 nm时，W_s、W_Slot和W_SSlot在0.2~0.5 µm间变化（假设此时g=0.1 μm，H=0.22 μm，d=1 μm），可得图5所示的S_W与波导宽度的关系。条形波导在W_s大于等于0.4 μm的情况下可稳定传输TE₀模式，之后S_W随着W_s的增大而减小，S_W在W_s=0.4 µm时达到最大值0.225。而Slot波导在W_Slot大于等于0.25 µm的情况下可稳定传输Slot模式，S_W在0.25~0.26 µm范围内随着W_Slot的增大而增大，在0.26~0.5 µm范围内随着W_Slot的增大而减小，S_W在W_Slot=0.26 µm时达到最大值0.713。本文提出的SSlot波导结构的S_W在0.2~0.23 μm范围内随着W_SSlot的增大而增大，在0.25~0.5 µm范围内随着W_SSlot的增大而减小，在W_SSlot=0.23 µm和W_SSlot=0.24 µm时达到最大值1.313。在波导宽度相同的情况下，条形波导的S_W最小、Slot波导的S_W次之、SSlot波导的S_W最大，这也符合提高S_W需增加分析物与波导的接触区域光场强度和增大分析物与波导区域光场的接触面积的分析。从三种结构的S_W结果对比可以看出，SSlot波导结构的S_W相较于其他两种结构具有明显优势。因此，选择SSlot波导结构作为MZI的传感臂，并使W_SSlot=0.24 µm。

图 5. 条形波导、Slot波导和SSlot波导中S_W随波导宽度的变化情况

Fig. 5. S_W varies with widths of waveguides in strip waveguide, Slot waveguide, and SSlot waveguide

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然后分析g对S_W的影响，假设W_SSlot=0.24 µm，可得如图6（a）所示的S_W与g的关系。由拟合曲线图可知，当g较小时，S_W受g的影响不大。当g在0.1~0.3 µm范围内变化时，S_W的最大值为1.313，最小值为1.283。考虑到g值越小则槽模式越稳定，确定SSlot波导的g为0.1 µm。同样地，分析了d对S_W的影响，其结果如图6（b）所示。由拟合曲线图可知，当d在0.6~1.1 µm范围内变化时，S_W最大值为1.313，最小值为1.2925。当d大于0.8 µm时，S_W保持稳定，故d选择1 µm。

图 6. SSlot波导中S_W随g和d的变化情况。（a）g；（b）d

Fig. 6. S_W varies with g and d in SSlot waveguide. (a) g; (b) d

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由于Slot模式与TE₀模式不匹配，因此直接连接条形波导和SSlot波导会带来极大的损耗。为了解决这个问题，传感臂中采用了一种1×2 MMI模式转换器。在调研了多种模式转换方案后^{［21，25-28］}，本文在文献［21］中的模式转换器基础上进行了优化设计。该模式转换器实现模式转换的示意图如图7（a）所示。为提高模式转换效率，保持文献［21］中W_m=1.1 µm和L_m=1.2 µm的取值不变，对L_taper和W_taper进行优化。经Lumerical软件仿真计算后可得如图7（b）所示的模式转换器的转换效率随L_taper和W_taper的变化情况。由图7可知，当L_taper=3 µm、W_taper=0.5 µm时，转换效率最高。此时，TE₀与Slot模式之间的转换效率高于97.3%，因此模式转换带来的整体损耗约小于0.24 dB。

图 7. 模式转换器结构、模场分布图，以及转换效率随锥形波导长度和宽度的变化情况。（a）结构图和模场分布图；（b）转换效率

Fig. 7. Diagrams of mode converter and mode field distribution, and conversion efficiency varying with length and width of tapered waveguide. (a) Structure and model field diagrams; (b) conversion efficiency

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参考臂条形波导与模式转换器之间存在一定的相位差，通过计算得到如图8所示的结果。由图8可知，参考臂条形波导与模式转换器之间的相位差范围在0. 14π~0.47π之间。

图 8. 条形波导与模式转换器之间的相位差ϕ

Fig. 8. Phase difference ϕ between strip waveguide and mode converter

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由式（13）可知，传感器的灵敏度S_λ除受S_W影响外，还会受到S₁，即n_g2、n_g1、L₁、L₂的影响。当K趋于0时，S₁趋向于无穷大。因此，除提高S_W外，还应合理设计n_g2、n_g1、L₁、L₂，以进一步提升传感器灵敏度。为使K=0处的波长接近1550 nm，联合优化了L₁和L₂（空气折射率近似为1.00029）。最终发现：当L₁=1250 μm、L₂=1600 μm时，K=0处的波长为1544 nm。此时，传感器的相位差和功率谱如图9所示。

图 9. 折射率传感器上下两臂之间的相位差Δφ和输出功率随波长的变化情况

Fig. 9. Phase difference Δφ between upper and lower arms of refractive index sensor and output power varying with wavelength

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实现基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的结构设计和参数的优化后，检测了该传感器的性能。气体折射率与气体体积分数有关，混合气体折射率=目标气体折射率×目标气体体积分数+空气中折射率×（1-气体体积分数），利用该折射率公式可以得到目标气体体积分数与混合气体折射率的对应关系。CO₂、NH₃、CH₄气体100%体积分数下的折射率如表1所示。经计算可得：当折射率由1.00029变化到1.0049时，可以满足CO₂、NH₃、CH₄气体体积分数为0%~100%的监测需求。

仿真了传感区域n=1.00029（无分析物，SSlot波导被空气覆盖）到n=1.00049情况下，传感器的传输谱线随折射率的变化曲线，其结果如图10所示。随着分析区域折射率n的增大，传感器的谱线主瓣带宽减小。因此，通过测量主瓣两侧凹陷峰间距离的变化，可以得到待测分析物折射率。基于图10中两侧凹陷峰波长偏移量，得到如图11所示的波长偏移量与折射率的变化关系。经过计算可得，拟合曲线的斜率为9.824×10⁴，由此得到该传感器的灵敏度为9.824×10⁴ nm/RIU。

图 10. 不同折射率下传感器的传输谱

Fig. 10. Transmission spectra of sensor under different refractive index

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图 11. 波长偏移量与折射率的变化关系

Fig. 11. Relationship between wavelength offset and refractive index change

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为了分析本文提出的折射率传感器的性能，将该方案与以往的几种MZI结构传感器方案的性能进行了比较，其结果如表2所示。由表2可知，该方案的灵敏度具有极大的优势，并且在灵敏度同量级的情况下，该方案的尺寸也优于其他方案。

4　结论

提出了一种基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器，通过合理设计SSlot波导结构和MZI两臂的长度，最终实现了9.824×10⁴ nm/RIU的超高灵敏度。该折射率传感器的尺寸仅为6.2×10^-2 mm²，远低于同类型高灵敏度传感器。除此之外，该折射率传感器还具有结构简单、易于制备等优势，能满足CO₂、NH₃、CH₄等气体浓度检测，适用于生物医疗、环境监测、灾难预警等多个领域。

参考文献

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1　引言

2　基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的工作原理

3　基于SSlot波导的高灵敏度折射率传感器的结构优化

4　结论

廖莎莎, 赵帅, 张伍浩, 张艺达, 唐亮. 基于悬空槽波导的高灵敏度折射率传感器[J]. 光学学报, 2024, 44(4): 0428001. Shasha Liao, Shuai Zhao, Wuhao Zhang, Yida Zhang, Liang Tang. High-Sensitivity Refractive Index Sensor Based on Suspended Slot Waveguide[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(4): 0428001.