基于级联微环和阵列波导光栅的温度自补偿集成生物传感器的研究

Ring resonator is a key component in optical waveguide biosensor. However, external high resolution tunable laser or optical spectrometer is often employed to detect the resonance wavelength of the sensor ring, which dramatically increase the cost and decrease the portability. On the other hand, the resonance wavelength is very sensitive to temperature change, and thus temperature control system is usually required to maintain constant operating temperature for the sensor chip, which significantly increases the chip size. Therefore, it is hard to meet the demand for low-cost, portable, athermal and miniaturized sensor chip. The proposed research will investigate the athermal property and low-cost interrogation method of the sensor ring, wavelength shift of the sensor ring is derived by an on-chip integrated arrayed waveguide grating (AWG) spectrometer in combination of a center of gravity (COG) algorithm, and then waveguide dimensions of the sensor ring and the array waveguide of the AWG are optimized, respectively, to make the sensor ring and the AWG spectrometer have the same temperature dependence for self-eliminating the temperature-induced change in the detected sensor signal. This project will solve the expensive, low portable and thermal problems in detection of the sensor ring, and pave the way to realize an athermal on-chip integrated optical waveguide biosensor with high portability and low-cost.

谐振微环是光波导生物传感器中的重要元件之一。然而，对传感微环谐振波长的检测需要借助外围的高精度可调谐激光器或光谱仪，同时微环的谐振波长还受外界环境温度变化的影响表现出温度敏感特性，常需温控设备来控制微环传感器芯片的温度，它们都加大了检测成本或芯片的尺寸，难以满足目前对低成本、便携式和无热的小型化传感芯片的需求。本项目将研究谐振微环传感器的无热化特性和片上低成本检测方式，利用优化的片上集成阵列波导光栅（AWG）作为光谱仪并结合重心算法对AWG各输出通道的光功率进行处理来推算传感微环中的实际波长漂移量，同时优化设计AWG的阵列波导和传感微环的波导结构，使二者具有相同的温度相关性，达到二者级联后整个芯片能自消除温度变化引起的传感检测信息的变化。本项目旨在解决现有传感微环检测的昂贵、便携性差、热敏感难题，为实现便携式、低成本和无热的片上集成光波导生物传感器打下坚实的基础。

基于谐振微环的光波导生物传感器具有尺寸小、样品消耗少、无需标记、灵敏度高、响应速度快、不受电磁干扰且易于集成等优点，在生物医疗和化学检测中扮演着非常重要的作用。然而，谐振微环的高品质因子(high-Q)使微环谐振峰的线宽非常小，所以对传感微环谐振峰的检测需要借助外围高精度的可调谐激光器或者光谱仪；另一方面，微环的谐振波长还受外界环境温度变化的影响表现出温度敏感特性，常需温控设备来控制微环传感器芯片的温度，它们都大大增加了传感微环的检测成本和芯片的尺寸。基于此，本项目主要开展了如下两个方面的研究：1）如何利用级联的片上光谱仪（滤波器）来实现对传感微环谐振峰位置的精确和低成本检测；2）如何消除环境温度变化对传感微环检测结果精度的影响。本项目取得了如下重要结果及关键数据：1）利用对传感微环级联一个马赫增德尔干涉仪实现了一个高灵敏度和温度不敏感的传感器芯片，实验测试出其灵敏度为3552nm/RIU且温度敏感性仅为4pm/K；2）利用微环传感器并级联一个等参考环的设计实现了灵敏度高达1579dB/RIU，折射率变化的探测极限为9.7×10-6的低成本检测芯片，研究了如何利用分子印迹膜技术来实现对传感微环表面的特异性修饰，并实验完成了对孕酮分子的特异性识别检测且探测极限为83.5fg/mL；3）通过改进的优化设计实现了对片上高分辨率的阵列波导光栅光谱仪性能的大幅度提升；4）通过创新设计大大降低了光栅耦合器中的背向反射，为提升基于强度探测方式的微环传感器的检测结果精度打下了基础；5）设计了一种高温度敏感性的温度传感器芯片，其灵敏度高达438pm/K，为片上小型化的温度监控器的实现打下了基础；6）利用改进的马赫增德尔干涉仪阵列在石英基底上实现了覆盖整个可见光波段的低成本傅里叶变换光谱仪，为可见光波段的物质检测分析打下了基础。本项目的科学意义在于解决了传统微环传感器面临的检测成本高和温度敏感的问题，为实现微环传感器的进一步低成本、小型化和实用化的应用迈出了重要的一步。