硫系玻璃狭缝波导微环的模拟分析

硫系玻璃狭缝波导微环的模拟分析王昊丰;皮明权;赵焕;郑传涛【摘要】硫系玻璃材料在中红外波段具有高的透过率,成为制备中红外光波导光学传感器的首选材料.为了提高光与待测物的作用,减小器件体积,优化设计并分析了硫系玻璃狭缝光波导微环器件.通过COMSOL软件对狭缝波导进行了建模,为了减小高折射率衬底的影响、减小电极材料对红外光的吸收并避免共振吸收,优化了下缓冲层厚度、上缓冲层厚度、电极厚度.采用优化的狭缝波导结构,设计了圆形和跑道型硫系玻璃狭缝波导微环谐振器,优化了微环谐振器半径,分析了品质因数、自由光谱区、以及谐振光场分布等性能参数.分析结果显示,圆形微环谐振器具有更高的品质因数(28452),谐振峰更加尖锐,对光的选择性更好;而跑道型微环谐振器的自由光谱区更小(6.2nm),用电极调节谐振峰的波长时,谐振峰更容易和气体的吸收峰对齐,更适合于红外气体检测.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】5页(P90-93,99)【关键词】硫系玻璃;狭缝波导;微环谐振器;气体传感【作者】王昊丰;皮明权;赵焕;郑传涛【作者单位】吉林大学电子科学与工程学院,长春 130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春 130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春 130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TN252近年来，光波导器件广泛应用于传感领域，例如生物化学检测［1］、临床诊断［2］、气体检测［3］、生物传感［4］、温度检测［5］等。

但多数传感器体积庞大、价格昂贵，而光波导传感器体积小，可以集成到片上［6］，且具有无标记的特点［7］，避免了标记物对分析物的影响，同时可实时现场检测［8］，提高测量精度，在工艺成熟的情况下，光波导传感器的制备成本低。

由于常规的光波导长度小，光程短，所以光对分析物的吸收就弱，检测下限高［9］。

微环谐振器采用回音壁模式使光在环形波导中不断旋转，增加了光程，使光和分析物的作用效果更强，有利于提高传感器的灵敏度，降低检测下限。

然而，二氧化硅材料在中红外损耗很大，常用的绝缘体上硅（SOI）只适合用于制备近红外器件。

相比而言，硫系玻璃材料在中红外波段具有极高的透过率［10］，是制备中红外器件的良好材料。

2004年，Cornell学校的Lipson课题组［11］发现：当两个条状硅波导的间距为纳米量级时，由于芯层和包层材料的折射率差使边界电场不连续，导致光的一部分会限制在狭缝中。

与矩形波导和脊型波导相比，狭缝波导可以将更多的光限制在狭缝中，使光和分析物充分作用，提高传感特性。

因此研究中红外硫系玻璃狭缝光波导微环器件具有重要意义。

采用COMSOL软件中的波动光学模块进行光波导建模，分析了所设计狭缝波导的模式，根据材料特性优化了光波导各层的厚度，以减小高折射率衬底的影响、减小电极对光的吸收、避免共振的影响。

研究了硫系玻璃狭缝波导圆形微环谐振器和硫系玻璃狭缝波导跑道型微环谐振器，模拟分析了器件性能参数。

通过优化微环谐振器的结构使其能够在3μm波长附近谐振，进而所设计的硫系玻璃狭缝波导微环谐振器适合用于中红外吸收光谱检测。

1 设计理论将气体作为波导的包层覆盖在芯层四周，光波导气体传感器依据消逝场的作用使气体包层中的光和气体相互作用，在气体检测时的基本理论为朗伯-比尔定律：其中，I为输入光强，I0为输出光强，C为气体浓度，L为光波导的长度，αgas为气体的吸收系数，αint为光波导的固有损耗，包括散射损耗和吸收损耗，Γ为功率限制因子，表示消逝场的大小，光与气体的相互作用越强，则Γ越大，表示为：其中，Pz为光波导截面的坡印廷矢量z分量。

在微环中传播的光相位差为2π时，光能干涉相长，相应波长出现了谐振峰，微环谐振器的品质因数Q表示为：其中，λres为微环谐振器的谐振波长，λFWHW为对应谐振波长谐振峰的半高全宽。

2 狭缝波导厚度优化设计的狭缝波导的结构如图1所示。

在Si衬底上各层材料依次为 As2S3、As2Se3、As2S3、Au。

在3μm波长条件下，各材料的光学参数如下：芯层As2Se3的折射率n1=2.7941、消光系数κ1=2.3873×10-7；下包层As2S3的折射率 n2=2.4152、消光系数κ2=7.162×10-7；Si衬底的折射率 n3=3.4361、消光系数κ3=1×10-8；空气的折射率n4=1；金电极的折射率n5=1.6、消光系数κ5=18.3。

所制备出的微环谐振器参数将存在一定的误差，谐振峰将会发生漂移，金电极的作用是通过热光效应改变光波导各层的折射率，从而改变光波导的有效折射率Neff，这样就可以通过温度变化来调节谐振波长。

待测气体在不同波长处具有不同的吸收峰，通过金电极将谐振峰调节到和吸收峰波长相同时，就可以进行气体检测。

图1 狭缝波导的结构图金的消光系数很大，如果离芯层太近就会增加器件的吸收损耗，这时需要优化上缓冲层的厚度h3来减小金电极的影响。

硅衬底的折射率很大，如果离芯层过近就会让光很大一部分进入衬底，这时需要优化下缓冲层厚度h2来减小硅衬底的影响。

金电极的厚度在一定范围内会引起共振，增加器件的吸收损耗，这时需要优化金电极的厚度h4来避免共振。

通过COMSOL软件中的波动光学模块进行仿真，首先来优化下缓冲层厚度h2，定义硅衬底的功率限制因子为ΓSi，表示为：设定硅衬底厚度为800μm，此时衬底足够厚，优化结果如图2（a）所示，Neff 随着h2的增大先增大，后保持不变；ΓSi随着h2的增大逐渐减小。

当取h2=3μm时，硅衬底的功率限制因子ΓSi小于千分之一，此时在衬底中的光功率小于整体的千分之一，可以忽略Si衬底的影响，且Neff保持稳定。

优化上缓冲层厚度h3。

设定金电极的厚度为200μm，在实际中不会制备这么厚的金电极，这样相当于设定金电极为无限厚，使优化上缓冲层厚度h3的结果更加准确，优化结果如图2（b）所示，Neff随着h3的增大先增大，后保持不变；αint随着h3的增大先增大，后保持不变。

当取h3=2.5μm时，器件的吸收损耗αint最小，且Neff保持稳定。

优化金电极厚度h4。

结果如图2（c）所示。

从图中可以发现，当金电极的厚度在1nm到100nm之间时会引起共振，αint出现了两个峰值，金电极的厚度不能太小（小于1nm），所以取金电极的厚度h4=100nm。

光波导的其他参数设置为w=0.9μm，h1=2.6μm，g=50nm，此时Γ=10.19%，Neff=2.4188，此时狭缝波导的准TE基模电场分布如图3所示。

图2 3μm波长时，狭缝波导各层厚度的优化图3 3μm波长时，w=0.9μm，h1=2.6μm，g=50nm，h2=3μm，h3=2.5μm，h4=100nm的狭缝波导准TE基模电场分布3 狭缝波导微环谐振器采用三维建模时，由于COMSOL占用的计算机资源过大，计算效率低，所以之后需要对三维的微环谐振器结构进行降维。

通过有效折射率法将图1中的波导结构进行分区，然后将各区等效为同一种材料，如图4所示。

狭缝波导被分成了五个区，其中II区和IV区结构一样，忽略Si衬底后，其实质是五层平板波导。

由于所需要的狭缝波导模式为准TE基模，所以计算II区和IV区的TE基模的有效折射率来等效为该区的折射率。

II区和IV区的准TE基模对应的Neff=2.7567，则II区和IV区可以等效为折射率为2.7567的材料。

在忽略Si衬底的情况下，I区，III区和V区中只有空气，则认为各区材料的折射率仍然为1。

图4 基于等效折射率法的狭缝波导分区示意图常用的微环谐振器结构有圆形微环谐振器和跑道型微环谐振器，原理分别如图5（a）和（b）所示，从上信道Input口输入的光部分耦合进入微环中，部分从上信道Through口输出，耦合进入微环的光不断转圈再耦合进上、下信道，分别从Through口和Drop口输出。

为了使微环谐振器能够在3μm波长时Drop口输出的光（TD）最大，圆形微环谐振器需要优化中心半径r，跑道型微环谐振器需要优化中心半径r以及直跑道的长度L，令直波导和微环波导的耦合间距为100nm，优化结果分别如图6（a）和（b）所示。

圆形微环谐振器的中心半径r=10.6μm 时，TD最大，跑道型微环谐振器的r=11.2μm，L=2μm时，TD最大。

两种微环谐振器的输出光谱以及谐振时的电场分布如图7所示。

圆形微环谐振器的自由光谱区FSR=10.9nm，Q=28452，TB=-12.4611dB，TD=1.0529dB；跑道型微环谐振器的自由光谱区FSR=6.2nm，Q=10881，TB=-10.5023，TD=-2.4388dB。

圆形微环谐振器的品质因数比跑道型微环谐振器的品质因数大，说明圆形微环谐振器的谐振峰更尖锐，对光的选择性更好，但是跑道型微环谐振器的FSR更小，用电极调节谐振峰的波长时，谐振峰更容易和气体的吸收峰对齐，所以跑道型微环谐振器更加适合进行气体检测。

图5 微环谐振器的结构设计图6 微环谐振器的TD随r的变化图7 微环谐振器的输出光谱和谐振时的电场分布4 温度的影响分析以更加适合气体检测的跑道型微环谐振器为例，研究环境温度对器件性能的影响。

跑道型微环谐振器的TB、TD、FSR、Q随温度的变化如图8所示，跑道型微环谐振器的输出光谱随温度的升高而红移，所以设计的微环谐振器也具有作为温度传感器的潜力，FSR受温度的影响不大，Q随着温度的升高而增大，谐振峰更加尖锐，对光的选择性更好。

图8 温度对跑道型微环谐振器性能参数的影响5 结论设计并研究了一种中红外硫系玻璃狭缝光波导圆形微环谐振器和跑道型微环谐振器。

根据硫系玻璃材料和金电极的特性，设计并优化了硫系玻璃狭缝光波导的各层厚度，通过优化下缓冲层厚度来减小高折射率衬底的影响，优化上缓冲层厚度来减小电极对光的吸收，优化电极的厚度避免了共振造成的影响。

通过等效折射率法对三维狭缝波导微环谐振器的结构进行降维处理，优化了圆形微环谐振器和跑道型微环谐振器的结构，分析了性能参数。

结果发现，圆形微环谐振器具有更高的品质因数（28452），谐振峰更加尖锐，对光的选择性更好；而跑道型微环谐振器的自由光谱区更小（6.2nm），用电极调节谐振峰的波长时，谐振峰更容易和气体的吸收峰对齐，所以跑道型微环谐振器更加适合进行气体检测。

研究了环境温度对跑道型微环谐振器的性能参数的影响，跑道型微环谐振器的输出光谱随温度的升高而红移，FSR受温度的影响不大，Q随着温度的升高而增大。

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