基于氮化硅波导的拉曼传感及关键器件研究

来源 :黄培坚 |
食品安全、环境检测、边防安检以及军事国防等领域的痕量物质检测技术已成为化学、物理、生命科学和纳米科技等领域快速增长的研究课题。其中激光拉曼散射光谱法采用单波长的激光照射被测物,通过探测和分析其拉曼散射
食品安全、环境检测、边防安检以及军事国防等领域的痕量物质检测技术已成为化学、物理、生命科学和纳米科技等领域快速增长的研究课题。其中激光拉曼散射光谱法采用单波长的激光照射被测物,通过探测和分析其拉曼散射光谱来识别被测分子指纹谱线,进行定性定量测量,有很高的探测准确度,是一种有可能同时实现多组分痕量气体和液体检测的方法。现如今,面对以5G技术为基础的物联网时代,光谱检测器有望作为物联网的前端/触角,其应用规模(特别是在痕量大气污染物监测领域)有望出现前所未有的增长,这对光谱检测器的分辨率、频响速度和范围、信噪比、体积功耗、与无线通讯高度融合的能力等提出了新的要求,片上光谱检测是相对最有潜力的解决方案。硅基材料被广泛应用于制作性能优良的光波导,但它可以透过的短波限约为1100nm,在常见的拉曼光谱检测波段系统的532nm、633nm和785nm区域不透过,不适合做这几个波长的波导器件;氮化硅(Si3N4)的透射短波限约为300nm,可以用来制作短波长的光波导;但如何用氮化硅波导实现拉曼传感和片上光谱检测,还有很多科学、技术和工艺上的问题;其中,关键器件的设计和实现是目前亟待突破的关键点。本论文主要集中在“基于Si3N4波导的拉曼传感及关键器件研究”,建立波导与金属纳米结构的耦合增强拉曼散射机理模型,研究光栅耦合器、微环谐振器、波导马赫曾德尔干涉仪等片上波导器件的光传输、光耦合及光调制特性;搭建波导器件性能测试系统,完成系统调试;研究波导传感单元、光栅耦合器、微环谐振器(Micro-ring resonator,MRR)、波导马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)等器件的制备和工艺优化;开展波导拉曼传感、关键波导器件的性能测试实验。主要研究工作如下:(1)波导增强拉曼传感机理研究:采用波导耦合传输理论,建立了波导增强拉曼和波导/SERS(surface-enhanced Raman scattering,表面增强拉曼散射)耦合增强拉曼的理论模型,研究了单分子、多分子的拉曼传感特性。进一步采用COMSOL Multiphysics 5.5对条形波导和槽型波导在SERS和非SERS条件下的光场分布进行数值分析。(2)关键波导器件研究:研究了波导耦合光栅周期、入射角度、占空比对耦合效率的传递关系,获得最优设计参数值。采用波导耦合传输理论,建立弯曲波导、微环谐振器、MZI等关键波导器件的的光传输和耦合特性模型;分析了结构参数对光传输和耦合特性的影响;进一步研究了基于Si3N4波导的光谱采集总体方案,从理论和仿真数值方面分析了其可行性。(3)波导器件性能测试系统搭建和调试:根据波导拉曼传感单元和光谱采集单元的性能测试要求,完成了波导器件性能测试系统的总体设计;完成了组件选型,包括光源、偏振器/起偏器、耦合光栅、显微镜、精密调整装备等;搭建了波导器件测试平台,并完成了测试平台的调试。(4)波导器件的制备和性能测试实验:根据前述关键器件的理论分析和优化设计,设计了波导器件的掩膜版图,利用传统硅基刻蚀工艺发展而来的氮化硅加工法制备了多组波导器件(波导光栅耦合器、MRR、MZI和拉曼传感单元),并对其表面形貌及材料进行了SEM(Scanning electron microscope)及EDS(Energy dispersive spectroscopy)表征分析。研究了光栅耦合器占空比、测试方法、转换器汇聚角、光栅周期数量对其耦合效率的影响。通过实验研究了微环谐振器的光传输特性及耦合特性,提出MRR-Through端光谱信号半高宽还原法。提出以Add-Drop型为MRR结构的基于F-P效应的光传输特性模型,明确其杂峰来源于光栅耦合器端面产生的多次反射,并提出在光栅耦合器表面添加减反射膜来降低杂峰影响,分析结果显示:设置光学厚度为150nm的Si O2在波长范围为0.448~0.911μm时,反射率R减少到0.05,谐振波长的误差值为γ=11.08%,此时MRR-Drop端的光谱信号几乎不受光栅耦合器端面形成的F-P腔的影响。(5)波导拉曼传感和动态MZI光谱采集探索:结合优化的光栅耦合器及MZI,通过电源电压对MZI输出光谱进行温度调制。实验得到了电源电压(V)与波导片上温度(T)的关系,通过检测MZI输出的光谱周期计算得到不同电压(温度)下的波导折射率,建立热光系数(Thermal optical coefficient,TOC)。根据采样定理,实验设置折射率间隔Δnstep=0.0065,最大折射率变化Δnmax=0.3554,可得还原光谱分辨率为30 nm。利用激光器(λ=785nm)分别对转移在Si3N4波导上的石墨烯以及滴加在Si3N4波导上的不同浓度R6G(rhodamine 6G)探针分子进行波导拉曼测试实验。
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