1. 引言
随着经济的飞速发展与科技的不断进步，人们的日常生活从解决温饱向追求生活质量转变，各种高科技数字产品开始出现在日常生活中。传感器作为数字产品与人类社会的连接纽带，在各个领域起到重要的作用，如检测血液成分[1]、药物浓度[2]、医疗保健[3]、环境检测[4] [5]乃至军事反恐[6]等在类型众多的传感器中，光学传感器因其响应速率快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强的优势，已经在绝缘体上硅平台(SOI)实现量产制造与片上集成。
传感灵敏度是衡量光学传感器性能的重要指标，为了提高传感灵敏度以增强光与物质相互作用[7]，研究人员通过把硅层减薄，使波导对光的束缚性变弱，从而将更多的光释放到待测区域，提高了传感灵敏度。近年来，波导结构逐渐被优化，从条波导，槽波导 [7] [8]-[10]，再到亚波长光栅波导[11]-[15]。亚波长光栅波导通过其特有的结构来释放光场加强光与物质相互作用，从而得到更高的灵敏度。在该原理的思路下，含槽亚波长光栅波导结构得到了进一步的研究。在原有的亚波长光栅波导结构中放入一个与包层折射率相同的槽结构，释放出更多光场。含槽亚波长光栅波导同时拥有槽波导和亚波长光栅波导的优点，也就是槽模式与布洛赫模式的结合，既可以提高光与物质的相互作用，又可以在波导中低损耗传输。目前，已有报道的小半径亚波长光栅波导微环谐振器、含槽亚波长光栅波导微环谐振器[16] [17]的传感灵敏度分别达到了790 nm/RIU和1000 nm/RIU。但是，这是针对TE模式而言的，TE模式的光被限制在硅块之间的槽结构中。然后，针对TM模式[18]，光场主要集中在包层和衬底中，槽结果对其光场限制作用甚微，所以当含槽亚波长光栅波导被弯曲时，衬底泄露会明显加剧，导致器件损耗过大无法使用。
在本工作中，我们提出了一种非对称的含槽亚波长光栅波导结构，通过优化设计可以减小含槽亚波长光栅波导在TM模式和TE模式下的衬底泄露损耗。
2. 波导结构与设计
本次工作所提出的非对称含槽亚波长光栅波导的结构示意图如图1所示，该波导由内侧较长的亚波长光栅波导和外侧较短的亚波长光栅波导互相靠近组合构成。
2.1. TM模式非对称含槽亚波长光栅波导的结构设计
周期性波导结构的能带中通常存在着禁带，所以需要对其波导结构进行设计，使器件的工作波长(约1550 nm)远离其禁带附近的共振区和截止波长附近的高损耗区域。我们利用平面波展开法对非对称含槽
Figure 1. Asymmetric subwavelength grating waveguide with grooves. (a) Front view, (b) side view
图1. 非对称含槽亚波长光栅波导。(a) 正视图，(b) 侧视图
亚波长光栅波导的结构参数进行计算，先将对称含槽亚波长光栅波导的周期Λ = 300 nm和高度H = 220 nm保持不变，分别改变宽度W、占空比D和槽宽S去设计满足工作波长的含槽亚波长光栅波导器件结构，然后在含槽亚波长光栅波导的基础上设计非对称含槽亚波长光栅波导。
将TM模式含槽亚波长光栅波导的槽宽度S固定为100 nm，固定占空比D为0.7，改变波导宽度W，分别为660 nm、700 nm、760 nm和860 nm，由图2(a)所示结果可知，工作波长范围会随着W的增加而增加；将宽度W固定为860 nm，固定占空比D为0.7，改变槽宽S，分别为60 nm、80 nm、100 nm和120 nm，由图2(b)所示结果可知，工作波长范围会随着S的增加而增加；将波导宽度W固定为700 nm，槽宽度S固定为100 nm，改变波导占空比D，分别为0.6、0.65、0.7和0.8，由图2(c)所示结果可知，工作波长范围会随着D的增加而增加。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. Band variation curve of fishbone type slotted subwavelength grating waveguide. (a) Band curve versus W variation curve, (b) Band curve versus S variation curve, (c) Band curve versus D variation curve, (d) Band curve versus inner and outer width variation curve
图2. 含槽亚波长光栅波导TM模式能带图。(a) 能带曲线随W变化曲线图，(b) 能带曲线随S变化曲线图，(c) 能带曲线随D变化曲线图，(d) 能带曲线随内外宽度变化曲线图
我们可以得知占空比D对波导工作波长范围影响最大，其次是波导宽度，槽宽对波导工作波长范围影响较小。在本次研究中，最终选择占空比D = 0.7，波导宽度W = 860 nm，槽宽S = 100 nm作为含槽亚波长光栅波导的结构参数。此时，含槽亚波长光栅波导的禁带波长为1150 nm，而截止波长为1900 nm，这既确保了目标波长范围远离禁带波长，又与截止波长保持较大的距离。
在确定含槽亚波长光栅波导的结构参数厚，在此基础上对非对称槽亚波长光栅波导进行结构参数调控，将内层硅块宽度设置为380 nm、480 nm、530 nm和590 nm，外层硅块设置为170 nm、230 nm、280 nm和380 nm。结果如图2(d)所示，可见，随着内层硅块宽度的增加，能带曲线也会有这小幅度增加。最终，选择将内层波导宽度设置为420 nm，外层波导宽度设置为340 nm。
2.2. TE模式非对称含槽亚波长光栅波导的结构设计
同样，利用平面波展开法对TE模式非对称含槽亚波长光栅波导进行结构参数的设计。将TE模式的含槽亚波长光栅波导的周期固定为Λ = 300 nm，高度H = 220 nm保持不变，分别对宽度W、占空比D和槽宽S进行扫描设计。将TE模式含槽亚波长光栅波导的槽宽度S固定为100 nm，固定占空比D为0.5，改变波导宽度W，分别为660 nm、700 nm、740 nm和780 nm，由图3(a)所示结果可知，工作波长范围会随着W的增加而增加；将宽度W固定为700 nm，固定占空比D为0.5，改变槽宽S，分别为60 nm、80 nm和100 nm，由图3(b)所示结果可知，工作波长范围会随着S的增加而增加；将波导宽度W固定为700 nm，槽宽度S固定为100 nm，改变波导占空比D，分别为0.5、0.6、0.7和0.8，由图3(c)所示结果可知，工作波长范围会随着D的增加而增加。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3. Band variation curve of fishbone type slotted subwavelength grating waveguide. (a) Band curve versus W variation curve, (b) Band curve versus S variation curve, (c) Band curve versus D variation curve, (d) Band curve versus inner and outer width variation curve
图3. 含槽亚波长光栅波导TE模式能带图。(a) 能带曲线随W变化曲线图，(b) 能带曲线随S变化曲线图，(c) 能带曲线随D变化曲线图，(d) 能带曲线随内外宽度变化曲线图
从扫描结果可以得知，对于TE模式来说占空比D对波导工作波长范围影响最大，其次是波导宽度，槽宽对波导工作波长范围影响较小。最终，选择占空比D = 0.533、波导宽度W = 740 nm和槽宽S = 100 nm作为含槽亚波长光栅结构参数，将非对称含槽亚波长光栅波导内层设置为410 nm，外层设置为330 nm。
3. 结果及分析
当含槽亚波长光栅波导被弯曲时，会加剧衬底泄露，导致光损耗过大而无法使用。我们采用图4所示的非对称含槽亚波长光栅波导结构的U形半环结构，以对比对称含槽亚波长光栅波导和非对称含槽亚波长光栅波导被弯曲后的功率透过率，此处将微环半径设置为10 μm。如图4所示，含槽亚波长光栅波导U型环中输入端和输出端的含槽亚波长光栅区域分别放置了输入监视器和输出监视器，将得到输出和输入的透过率Tout和Tin相除就可以得到非对称含槽亚波长光栅波导U形半环结构的功率透过率。
Figure 4. U-shaped ring structure of asymmetric slotted subwavelength grating waveguide track micro ring resonator
图4. 非对称含槽亚波长光栅波导赛道微环谐振器的U形环结构
当外界折射率nc = 1.333时，TM模式非对称含槽亚波长光栅U形环结构的透过率随波长的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，在1.4~1.6 μm波长范围内，TM模式的非对称含槽亚波长光栅U形环结构的透过率高于对称结构含槽亚波长光栅U形环结构的透过率。这表明弯曲的非对称含槽亚波长光栅结构在TM模式抗衬底泄露损耗方面有着良好表现。
Figure 5. Transmittance of U-shaped ring structure of asymmetric slotted subwavelength grating waveguide in TM mode
图5. TM模式下非对称含槽亚波长光栅波导U形环结构的透过率
当外界折射率nc = 1.333时，TE模式非对称含槽亚波长光栅U形环结构的透过率随波长的变化曲线如图6所示。从图中可以看出，在1.4~1.6 μm波长范围内，非对称含槽亚波长光栅U形环结构的透过率高于对称含槽亚波长光栅U形环结构的透过率。这表明弯曲的非对称含槽亚波长光栅结构在TE模式抗衬底泄露损耗方面有着良好表现，并且，透过率随着波长的增加急剧下降，这说明该结构都有明显的色散特性，可应用于色散型微环谐振器传感器件。
Figure 6. Transmittance of U-shaped ring structure of asymmetric slotted subwavelength grating waveguide in TE mode
图6. TE模式下非对称含槽亚波长光栅波导U形环结构的透过率
4. 结论
在TE模式和TM模式下，直的和弯曲的非对称含槽亚波长光栅结构均优于对称含槽亚波长光栅结构，说明该结构对抗衬底泄露损耗方面具有一定效果。
NOTES
*通讯作者。