Si 基微環諧振腔化學傳感檢測方法研究*

雷龍海，唐 軍，張天恩，郭 浩，劉 俊

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

作為環境科學、醫藥學及食品安全等研究領域的有力工具，化學傳感器越來越受到科學家的關注［1，2］，而在各種新型化學傳感器中，基于表面等離子體諧振型［3，4］、光纖型［5，6］、光子晶體型［7，8］、干涉器型［9］和光波導型［10～12］等免標記的光學平面波導傳感器，由于其高的靈敏度、單片集成性和低成本而被廣泛地應用到化學分子離子檢測、食品環境安全、醫學診斷等傳感領域［1～12］。

本文提出了一種基于Si 基微環諧振腔的化學傳感檢測方法:Si 集成光波導諧振譜(optical waveguide resonance spectroscopy，OWRS)檢測，當環形波導表面存在不同濃度化學離子、分子時，波導倏逝場能夠迅速“捕捉到”波導表面物質折射率的變化，從而使結構自身有效折射率發生改變，導致光學諧振譜線發生漂移，通過對諧振譜線漂移量和檢測濃度的測試分析，可實現Si 基集成光波導諧振譜線的化學離子分子在線檢測。

1 實驗系統

實驗采用光學測試系統平臺，如圖1(a)所示，主要由可調諧激光源(New Focus TLB—6700)、光電探測器(4NIC—K15)、示波器(Tektronix DPO2024)及三維高精度隔振調節架組成。光源由可調諧激光器發出，經錐形光纖傳輸并耦合進入直波導，與微環腔結構發生耦合諧振，最終從直波導輸出端輸出，經光電探測器轉換后輸入到示波器，通過示波器對實驗結果進行觀察記錄。實驗中光源的輸出功率為2 mW，光源波長掃面范圍為1 520～1 570 nm。

圖1 光學測試系統Fig 1 Optical test system

2 結果與討論

2.1 光學平面微環諧振腔設計制備

設計了SOI 光學平面微環諧振腔芯片結構，由直波導、環形諧振腔及襯底材料組成，如圖1(a)所示，微環腔位于直波導中間位置，方便移液器實施液體滴加操作。整個光學波導結構截面尺寸為500 nm×220 nm，微環諧振腔半徑為20 μm，直波導與諧振腔耦合間隙80 nm。

圖2(a)為微環腔樣品的S—4800 掃描電鏡(FESEM)圖，圖2(b)為直波導與微環腔耦合區域放大圖，從FESEM圖可知，波導寬度453 nm，最小耦合間隙約90 nm，與設計之初的尺寸相比，均出現了較小的變化，這是由于工藝刻蝕過程中尺寸的邊沿效應造成，這樣的結果是合理的，而且滿足光波導單模傳輸條件。

圖2 微環諧振腔結構FESEM 圖Fig 2 FESEM image of micro-ring resonator structure

2.2 光波導諧振譜檢測

利用光學測試系統平臺，通過移液器滴加溶液，如圖1(a)，(b)，完成了光波導諧振譜的在線化學離子、分子傳感檢測實驗，實驗測試結果如圖3 所示。

圖3(a)，(b)分別為不同濃度的NaCl 和不同摩爾濃度的結晶紫滴加在微環腔波導表面后，測試得到的光學諧振譜線圖。從圖3(a)可知，隨著NaCl 濃度的增加，光學諧振譜線發生了一致線性紅移，最大紅移量達到3.461 6 nm。這是因為當在微環腔表面滴加不同濃度NaCl 溶液時，溶液的折射率會隨著自身濃度的改變而發生線性變化

圖3 光學諧振譜線圖Fig 3 Optical resonance spectrum chart

其中，nc為溶液折射率，ρ 為樣品濃度，k1為比例系數，b 為常數。

此時，波導倏逝場將迅速“捕捉”到表面被檢測液體折射率變化，根據Taylor 一階展開，由此引起的波導結構自身有效折射率變化ΔN 可描述為

其中，N 為波導結構有效折射率，dc為滴加樣品溶液平均厚度，Δnc為樣品折射率的變化量。在測試過程中，NaCl溶液平均厚度可以通過移液器準確的均勻控制，所以可看作一常量k2，結合回音壁模式原理［13］和式(1)、式(2)，可得到檢測系統輸出諧振波長紅移量Δλm為

其中，R 為微環腔的半徑;m 為微環腔的不同諧振模式，k 為檢測靈敏度。由式(3)可知，隨著被檢測樣品濃度的增加，平面光波導諧振譜線將發生紅移，而且具有良好的線性特性，與實驗測試結果相一致。

從圖3(b)可知，系統輸出光學諧振譜具有同樣的現象，即隨著結晶紫溶液摩爾濃度的逐漸增加，光學諧振譜出現了一致線性紅移，證明了該檢測方法的合理性和正確性。

2.3 化學傳感與分析

通過實驗測試，可得到諧振譜線隨樣品濃度變化的紅移量，如表1、表2 所示。

表1 光學諧振譜線隨NaCl 濃度變化的紅移量Tab 1 Red shift quantity of optical resonance spectrum with different concentration of NaCl solution

表2 光學諧振譜線隨結晶紫摩爾濃度變化的紅移量Tab 2 Red shift quantity of optical resonance spectrum with different molar concentration of crystal violet solution

圖4(a)為波導結構諧振譜線紅移量Δλm與NaCl 離子溶液濃度變化曲線圖，從該圖可知，諧振譜紅移量與NaCl濃度變化具有較好的線性關系，Δλm隨著樣品濃度的逐漸增大發生線性紅移，經擬合得到，結構的檢測靈敏度達到了181.47 pm/10－2，即光波導諧振譜在線檢測靈敏度;圖4(b)為波導結構諧振譜紅移量Δλm與結晶紫分子溶液摩爾濃度變化曲線圖，從該圖亦可看出，諧振譜紅移量Δλm與樣品摩爾濃度變化同樣具有良好的線性紅移關系，經擬合算出，其光波導諧振譜線性檢測靈敏度高達227 nm/(mol·L－1)，相比于等離子體諧振型光學平面波導傳感器件檢測方法，具有更高的檢測靈敏度［3，4］。該結果說明基于此傳感結構的檢測方法可以應用于溶液檢測領域。

圖4 光學諧振譜線紅移量與溶液濃度變化關系曲線圖Fig 4 Curve of relationship between red shift of optical resonance spectrum and change of concentration of solution

為了進一步驗證OWRS 檢測方法的正確性與適用性，本文在光學平面微環諧振腔表面生長了SiO2透明材料進行結構的表面鈍化處理，鈍化后的結構可用于表面修飾特異性分子識別檢測研究，同時，利用該檢測方法對表面鈍化后結構進行了結晶紫濃度在線測量，如圖1(c)，最終也得到表面鈍化后的光學諧振腔結構在線檢測靈敏度達58.4 nm/(mol·L－1)，體現了較高的靈敏性和線性特性，進一步驗證了OWRS 檢測方法的正確性和適用性。

3 結 論

本文提出了一種基于微環諧振腔的非標記光化學傳感檢測方法，采用傳統MEMS 工藝制備了SOI 高靈敏度光學微腔結構，實現了對NaCl 離子溶液、結晶紫分子溶液濃度的在線測量，其檢測靈敏度分別達181.47 pm/10－2，227 nm/(mol·L－1);通過在微環諧振腔表面生長SiO2透明材料進行結構表面鈍化處理，進一步驗證了光波導諧振譜檢測方法的正確性與適用性，可以應用于化學溶液檢測領域。

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