O波段硅光子传感器中的相干腔耦合技术在水环境检测中的应用

《Scientific Reports》：Coherent cavity coupling in O-band silicon photonic sensors for water environment detection

　　

摘要

基于光学谐振器的硅光子折射率传感器具有高灵敏度和紧凑的集成特性；然而，其性能从根本上受到谐振线宽和光谱分辨率的限制。在这项工作中，我们提出了一种基于绝缘体上硅（SOI）技术的折射率传感器，并通过数值方法对其进行了研究。该传感器采用相干耦合的双腔结构设计，旨在实现谐振线宽的缩小和传感性能的提升。该器件由两个环形谐振器组成，通过定向耦合器相互连接，并与总线波导侧向耦合，从而实现可控的相干干涉和光子寿命的延长。该设计的创新之处在于利用定向耦合器介导的两个环形腔之间的相互作用，以促进主导耦合模式的出现，同时抑制寄生多干涉现象。通过对耦合长度、谐振器间距、总线-腔间距以及谐振器半径进行全面的参数优化（采用有限元仿真方法），结果表明在最佳耦合条件下，该结构能够支持具有抑制多干涉效应的主导耦合模式，从而显著降低谐振线宽并提高光谱纯度。因此，所提出的传感器实现了304.02 nm/RIU的高折射率灵敏度、约2.2×10?的品质因数，以及低至1.64×10?? RIU的检测限，相当于亚ppm级别的传感性能。与传统单环结构及其他耦合谐振器配置相比，所提出的架构在灵敏度、检测限和制造复杂性方面提供了更好的平衡（相对于基于槽结构或光栅结构的设计）。此外，在O波段工作对于水环境中的传感具有明显优势。所提出的方法为硅光子学中实现窄线宽谐振提供了一种有效的策略，并为开发与现有CMOS制造工艺兼容的高分辨率SOI传感器件提供了有前景的途径，适用于化学和生物应用。