基于GST的长波红外微环谐振器的计算分析：作为光子传感器在ZnSe平台上的应用

《Advanced Photonics Research》：Computational Analysis of a GST-Based Long-Wave Infrared Microring Resonator on a ZnSe Platform as a Photonic Sensor

　　环形谐振器传感器设计及在长波红外波段的应用，采用GST-ZnSe平台，通过COMSOL模拟优化结构参数，实现高灵敏度（达155.34 nm/RIU）和低损耗（-0.82 dB/cm），有效检测气体、癌细胞及病毒细菌的折射率变化，Q值达7.9×103，验证了其在生物医学和环境监测中的潜力。

　　
该研究聚焦于基于Ge?Sb?Te?（GST）材料的8微米长波红外（LWIR）环形谐振器传感器的设计与性能分析。通过COMSOL Multiphysics平台结合有限元法，系统探究了该传感器的光学特性、灵敏度及实际应用潜力，为集成化光电传感设备开发提供了理论依据。

### 材料与结构创新
研究采用GST作为核心材料，ZnSe作为基底，空气作为包层构建环形谐振器。GST因其独特的相变特性（可在纳米秒级切换晶态与无定型态）和宽红外透射窗口（覆盖6-14微米），在长波红外传感领域展现出显著优势。晶态GST折射率高达5.26，而无定型态折射率下降至约1.36，这种超过2的折射率差（Δn>2）能有效提升光场约束能力。ZnSe基底（折射率2.40）在8微米波长下损耗极低（约-0.82dB/cm），同时具备优异的热稳定性和化学惰性，与GST形成梯度折射率结构，有效抑制侧壁散射损耗。

### 核心性能突破
1. **高Q值与低损耗**
通过优化环半径（7306.3纳米）和波导几何结构（宽3微米，高2微米），实现了输出端口和滴定端口分别达到7913和7310的高Q值。相比传统硅基平台，该结构在8微米波长下损耗降低约40%，归因于GST材料在长波段的低多声子吸收特性。

2. **灵敏度与检测极限**
输出端口对气体检测灵敏度达155.34 nm/RIU（RI单位），对H?S气体检测限为52.32×103 RIU，滴定端口灵敏度提升至141.84 nm/RIU。该检测限低于当前文献报道的同类传感器30%-50%，特别是在癌症细胞检测中（RI差异0.01%即可引发波长偏移34纳米）。

3. **多模态检测能力**
研究同时验证了TE/TM双模式传感性能：TE模式对有机气体（如CO、NO、H?S）的响应灵敏度达41-155 nm/RIU，而TM模式对无机气体（如NH?）灵敏度提升至87 nm/RIU。特别在病毒检测中，对HIV-1（RI 1.5）和Vibrio cholerae（RI 1.365）的区分度达到±0.005 RIU。

### 技术优势对比
通过构建表格对比发现：
- **尺寸优化**：7×5微米环形结构较传统硅基平台缩小60%，且兼容CMOS工艺。
- **波长可调性**：通过改变ZnSe基底厚度（1微米）和GST层厚度（2微米），可在7.5-8.5微米范围内实现±0.03 nm波长调节。
- **多参数检测**：单一传感器可并行检测5类气体（CO、NO、H?S、NH?、CH?）和8种生物样本（包括4种癌细胞和3种病毒）。

### 应用场景拓展
1. **气体监测**：在工业现场可实时监测H?S（浓度检测限0.1 ppm）、CO（0.5 ppm）等危险气体，响应时间短于200纳秒。
2. **生物传感**：对癌细胞（RI 1.36-1.41）与正常细胞（RI 1.32-1.35）的区分度达0.02 RIU，检测速度比传统生化检测快3个数量级。
3. **病毒筛查**：在1×10? cells/mL浓度下，可检测到HIV-1（灵敏度28.23 nm/RIU）和Polio病毒（30.69 nm/RIU）的微弱折射率变化（Δn≈0.005）。

### 技术瓶颈与改进方向
尽管取得显著进展，仍存在若干挑战：
- **热稳定性**：GST材料在>200℃时折射率波动达±0.008/℃（ZnSe基底为±0.007/℃），需优化热封工艺。
- **交叉灵敏度**：苯（ RI 1.501）与H?S（RI 1.001768）在输出端口产生0.03 nm波长重叠，建议采用双端口解耦设计。
- **集成度**：当前结构未实现波导-探测器一体化，后续研究需引入硅基集成的红外探测器阵列。

### 工程化潜力评估
该传感器已通过以下验证：
1. **环境鲁棒性**：在85-95℃温度范围内，Q值波动小于3%，检测限仅上升5%。
2. **批量生产可行性**：ZnSe基底采用化学气相沉积（CVD）工艺，生产成本较传统SOI平台降低40%。
3. **多参数同步检测**：通过环形谐振器的级联设计，可实现5种气体和3类生物样本的并行检测，信噪比提升至18 dB以上。

该研究为开发新一代集成式光电传感系统提供了重要参考，特别是在医疗诊断（如癌变细胞检测）和工业安全（有毒气体监测）等关键领域，其技术指标已达到国际领先水平。后续工作建议聚焦于材料表面纳米化处理（目标降低瑞利散射损失至0.1 dB以下）和微流控集成技术，进一步提升检测灵敏度和通量。