基于高Q平面集成光学微谐振腔的多目标并行光微流控生化传感芯片基础研究

Label-free optical biochemical sensing based on high-Q planar integrated optical micro-resonators has a wide field of applications with good prospects, such as environmental monitoring, military and national defense, and disease diagnosis. The key issues, including how to enhance light-matter interaction, design high-Q optical microcavity devices with the capability of multi-target detection, introduce microfluidic chip and integration technology, are the important and bottleneck problems in this research field. In this project, we will study the priciple of the transmission of optical field in optical microcavity and biochemical sensing, design the single/double sensor device and array integrated with microfluidics chips which could be realized by different types of novel microcavities, and explore the principle and method of multi-target parallel sensing by introducing surface antibody immobilization technologies, clarify how to achieve high sensitivity and low detective limitation, and introduce the ultra-stable and high-linear frequency-sweep optical source. High-quality label-free optical biochemical sensing can be realized based on the efforts above. In line with the trends of optical sensing development, this multi-target parallel optofluidics biosensor, aiming at the fundamental research topics and applications in photonics integrated circuits and optical biosensor, has the benefits of high-quality, low cost, small footprint, low consumption of analyte, multi-target detection and will enhance our competitiveness in the related research fields.

基于高Q平面集成光学微谐振腔器件的无标记光生化传感技术在环境监测、军事国防及疾病监控等诸多方面均具有广阔的应用前景。如何提高光与物质的相互作用强度、设计高Q光学微谐振腔器件与并行多目标检测途径、引入微流控芯片与集成技术已经成为本研究领域的核心与瓶颈问题。本项目拟从光学微谐振腔光场传输机制及传感机理出发，实现多种新型结构的单/双微谐振腔器件与阵列，并完成光微流控一体化设计，利用器件无标记表面抗体固定技术探索多目标并行检测机理与方法，明晰微谐振腔高灵敏度、低探测极限的多种影响因素与实现方法，进一步引入高稳定与高线性扫频激光器设计，最终实现高性能的无标记集成光生化传感技术。多目标并行光微流控一体化传感芯片面向集成光子学和光子传感领域中的基础研究和应用的关键问题，契合了光传感技术未来发展方向，具有高性能、低成本、小尺寸、低样品消耗、多目标探测等诸多明显优势，将有望提升我国在相关领域的竞争力。

基于高Q平面集成光学微谐振腔器件的无标记光生化传感技术在环境监测、军事国防及疾病监控等诸多方面均具有广阔的应用前景。本项目从设计高Q光学微谐振腔器件出发，深入研究了回音壁模式微谐振腔和光子晶体微谐振腔内部光模式特性及传输机制，建立了器件理论模型。研究了多种不同结构的微谐振腔高灵敏度、低探测极限的影响因素及实现方法，包括引入游标效应的多种新型微谐振腔器件结构、引入法诺效应的光子晶体微环互耦合谐振器件结构、引入Autler–Townes（AT）分裂的光子晶体微环互耦合谐振器件结构、基于单根光波导实现微环谐振腔器件结构等。深入研究器件的传感性能，明确传感性能得以提升的影响因素，包括谐振腔内引入光损耗以及双微环差分结构抑制外界噪声抑制等方面。设计、制作基于微谐振腔的光微流体生化传感芯片，开发相应的工艺制作流程和键合工艺，完成器件的测试与传感实验。. 本项目的另一个核心目标是实现一种低成本、高稳定、高线性、可重复性高的扫频光源解决方案，我们从材料、器件以及系统的多个维度出发，探索研究实现高稳定、宽谱可调谐激光器的途径。在材料方面，研究了InAs/InP耦合量子点激光器的光谱特性和载流子迁移特性，研究了量子点激光器中的固态光谱分裂和调谐固态光谱分裂现象，使得调谐范围达到THz级别。在器件方面，提出并设计了工作在中红外（MIR）和太赫兹（THz）波段的三极管注入量子级联激光器（TI-QCL）新型结构，深入研究了器件特性对宽谱可调谐输出影响。在系统方面：研究了光学锁相环工作原理，利用光电反馈回路实现对半导体激光器输出频率的精准控制，实现高精度与高线性的激光器扫频输出。. 在以上工作的基础上，进一步开发了信号采集与调控系统，可对扫频激光器的工作电流与温度、扫频范围及扫描速度实时选择与控制，并对输出信号进行数字化调理，分析系统的输出特性、传感性能及指标，实现了系统性能参数的高效自动化与可视化处理。. 项目共发表期刊论文18篇，其中SCI文章12篇，EI文章4篇（1篇期刊，3篇国际会议），核心期刊文章2篇，获得国家发明专利4项，申请国家发明专利8项。. 本项目面向集成光子学和光子传感领域中的基础研究和应用的关键问题，研究成果不仅契合了光传感技术未来发展方向，而且还有望推广至其它领域与方向，具有广阔的研究前景和应用价值。