基于微纳复合啁啾光栅结构的高性能光学生物传感器研究

Subwavelength grating has been becoming a key element for high-performance optical biosensing. However, it is difficult to control the optical field mode using a conventional grating due to its symmetric structure. Thus，the performance of the optical biosensing has been limited. We found that the spectral linewidth can be controlled by using a compound grating structure in our previous research. Therefore, we propose a scientific hypothesis that the output light field can be controlled by micro-nano chirped grating structures in this project. We focus on solving the problem that there is a tradeoff between the quality factor and sensitivity in optical biosensors integrated with resonant gratings. We exploit a physical model, which combines temporal coupled-mode theory with finite element analysis. We will explore the rule of optical field mode controlled by grating structural parameters using its leaky-mode information. On this basis, we deduce the expression of the output spectral lineshape and then reverse design the high-performance biosensors based on micro-nano chirped gratings. Using the silicon photon technology platform, we will design, fabricate and test the performance of this type optical biosensor. The implementation of this project provides a new idea for the realization of high-performance optical biosensors integrated with micro-nanostructures.

亚波长光栅是实现高性能微纳集成生物光学传感器的重要功能结构。然而，普通的亚波长光栅结构难以实现高性能光学生物传感器，主要原因在于光栅结构具有对称性，难以通过调节光栅结构参数来有效调控输出光场的模式。我们在前期研究基础上发现复合光栅结构可以调控输出光谱的线宽。本项目提出微纳复合啁啾光栅结构调控输出光场的科学假设，重点解决在实现高性能生物传感中存在品质因子与灵敏度相互制约的矛盾。本项目拟采用时域耦合模理论结合有限元分析方法，通过分析光场模式的信息，探索光栅结构参数变化对光场模式的调控机理。在此基础上，建立输出光谱线型的表达式，逆向设计基于微纳复合啁啾光栅结构的高性能传感器结构。利用现有硅光子工艺平台，完成该类型传感器在光学生物传感中的可行性验证。本项目的实施为新型微纳结构在实现高性能光学生物传感器中提出新思路。

亚波长光栅是实现高性能微纳集成生物光学传感器的重要功能单元，本项目重点解决在实现高性能生物传感中存在品质因子与灵敏度相互制约的矛盾，探索光栅结构参数变化对光场模式的调控机理，本项目主要内容和重要成果如下:.（1）提出了一种叠层微纳复合光栅传感器结构。利用时域耦合模理论建立器件的理论模型，发现通过调节光栅的结构参数可以调控本征模式，进而完成器件的设计，理论仿真表明器件的灵敏度为401.8 nm/RIU，且FOM值为57404。（2）提出了一种基于双层对称复合光栅的光学生物传感器研究。研究发现通过合理设计复合光栅的结构参数可以提升光栅对光场的束缚能力，达到提升器件品质因子Q的目的，该器件的品质因子可达31476。（3）提出了一种基于双层谐振超构光栅结构来增强光与物质的相互作用，从而优化光学折射率传感器的灵敏度，最后分析了该器件用于液体传感时的性能参数，传感器的灵敏度高达930nm/RIU。（4）提出了基于双层高对比度复合光栅结构，通过调控谐振腔结构参数，实现连续谱束缚态，进而增强局域光场的束缚能力。传感器的灵敏度最高453 nm/RIU 且FOM最大值为9808。. 此外，我们还研究了具有平顶陡边光谱的双层亚波长光栅滤波器，利用亚波长光栅谐振腔结构实现石墨烯的完美吸收。以上研究工作为新型微纳结构在实现高性能光学生物传感器中提出新思路。