简介

折射率 (RI) 传感器是无标记的光学传感器，可通过测量光波导结构的有效折射率变化来检测目标分析物的存在。当分子与波导的功能化表面结合时，局部折射率会发生变化，从而导致波导的光学特性发生可测量的变化。RI 传感器有望对生物和化学物种进行实时、高灵敏度的检测，而无需荧光或其他标记。

本教程概述了 RI 传感器的工作原理、设计注意事项和优化方法，重点介绍了两种常见的硅基光电子传感器结构--环形谐振器和马赫-泽恩德干涉仪 (MZI)。

RI 传感器原理

如图 1 所示，RI 传感依靠表面功能化来实现目标物种的选择性结合，然后通过测量波导结构中引导光的变化来检测分析物表面结合引起的折射率变化。由于折射率变化在很大程度上与波长无关，因此 RI 传感器可以在很宽的光谱范围内工作。功能化涂层的选择可提供针对相关分析物的特异性。

RI 传感器由几个关键部件组成（图 2）：

1.耦合到传感波导结构的光源

2.传感元件本身（例如环形或 MZI） 

3.用于测量强度、相位、光谱等变化的光分析仪 

4.用于将分析物传输到传感器表面的可选微流体技术

通过调整光源特性和优化光子传感器设计，可以实现高的性能。

图 1. RI 传感器 [1]。

图 2. RI 传感器的组件 [1]。
波导优化

折射率传感器设计的一个关键是根据传感应用优化波导结构的特性。正如 Rios 等人所推导的，两个重要参数是表面约束因子 Γsurface（表示与表面结合分子的光学模式重叠）和波导损耗 αs。传感性能系数 (FOM) 与 Γsurface/αs 成正比 [1]。

在无吸收系统中（图 3），TM 极化通常比 TE 模式提供更好的灵敏度。此外，更宽的波导在允许单模运行的同时还能降低损耗。对于空气中厚度为 220 nm 的硅波导，选择 600 nm 的宽度可支持具有高约束性的单 TM 模式。

在带水环境中，必须考虑水吸收的影响（图 4 和图 5）。对于传导波长为 1550 nm 的硅波导，最佳宽度为 480 nm。对于氮化硅波导，1300 nm 波长是最佳选择，以最大限度地减少基底漏损，1300 nm 的宽度适合单模 TE 操作。

图 3. 波导设计：无吸收介质 [1]。

图 4. 波导设计：光学吸收介质 [1]。

图 5. 约束因子计算 [1]。
环形谐振器传感器

环形谐振器（图 6）可将折射率变化转换为可测量的谐振波长偏移，从而实现高灵敏度的 RI 检测：

Δλ/λ = ngΔneff = ΓΔn

其中，λ 是谐振波长，ng 是波导群指数，neff 是有效指数，Γ 是约束因子。

影响环形谐振器传感器性能的几个设计标准：

1.弯曲半径 - 选择足够大的半径，以忽略辐射弯曲损耗（图 7 和图 8）；

2.自由光谱范围 (FSR) - 确保在调谐范围内有足够的峰值

3.精细度 - 足够高以避免峰值重叠

总线波导和环之间的间隙宽度对于实现临界耦合也很重要（图 9），在临界耦合中，完全的功率传输可实现较大的消光比，从而实现精确检测。通过详细的耦合系数计算，可以精确设计间隙（图 10-12）。

图 6. 用于折射传感的环形谐振器 [1]。

图 7. 辐射弯曲损耗 [1]。

图 8. FSR 和精细度 [1]。

图 9. 环形谐振器中的耦合机制

图 10. 临界耦合设计 [1]。

图 11. 临界耦合设计 [1]。

图 12. 临界耦合设计 [1]。

干涉仪传感器

马赫-泽恩德干涉仪（图 13）是另一种集成光子 RI 传感器结构。通过传感臂的光发生相移，从而在透射光谱中产生可测量的波长偏移。传感器响应可通过分析两臂的相位延迟来建模（图 14）。

如图 13 所示，传感窗口 L1 的长度决定了光谱偏移的大小，但在传感臂不平衡和边缘可见度方面需要权衡。较短的窗口可保持较高的可见度（图 15）。螺旋波导等先进的布局技术可以提供较长的相互作用长度，同时保持较小的器件尺寸（图 36）。

图 13. 用于折射传感的干涉仪 [1]。

图 14. 干涉仪折射传感器设计 [1]。

图 15. 干涉折射仪传感器设计 [1]。

图 16. MZI 传感器版图设计 [1]。
总结

折射率传感器在生物传感的应用中，环形谐振器和 MZI 是最受欢迎的集成光子器件结构。本文利用 Rios 等人最近发表的一篇综述论文中的信息，介绍了基于这些平台开发折射率传感器时的工作原理和设计注意事项。对波导尺寸、材料、偏振、波长和布局几何形状进行适当优化，可实现对生物标记物和其他分析物的高灵敏度检测。