三環(huán)型波導(dǎo)微環(huán)諧振器無(wú)熱化生物傳感器

崔乃迪，寇婕婷，梁靜秋，王惟彪，郭 進(jìn)，馮俊波，滕 婕，曹國(guó)威

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088;2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031;3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

生物傳感器是以生物活性單元作為生物敏感基元，對(duì)被測(cè)物具有高度選擇性的探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物防范、食品檢測(cè)、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中具有重要的應(yīng)用［1-5］。近年來(lái)，隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展以及片上實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)概念的提出及發(fā)展，基于光波導(dǎo)微環(huán)諧振腔的生物傳感器由于兼具檢測(cè)速度快、靈敏度高、無(wú)需標(biāo)記、不受環(huán)境和電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前生物傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［6-8］。

生物傳感器市場(chǎng)規(guī)模龐大，且每年呈上升趨勢(shì)，據(jù)美國(guó)市場(chǎng)信息反饋專業(yè)公司Market Research估計(jì)，到2018年生物傳感市場(chǎng)規(guī)模將增至168億美元，若加上傳感器周邊配套設(shè)施，生物傳感產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)數(shù)千億美元，生物傳感器相關(guān)方面的研究具有可觀的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于基于波導(dǎo)微環(huán)諧振器的生物傳感器［9］，其無(wú)熱化研究近年來(lái)受到了較多的關(guān)注。這主要來(lái)源于常用的波導(dǎo)微環(huán)生物傳感器制備材料(如硅、氮化硅以及聚合物等)都具有較高的熱效應(yīng)。在測(cè)試過(guò)程中，溫度引起的噪聲信號(hào)與傳感信號(hào)疊加，會(huì)使傳感測(cè)試系統(tǒng)的信噪比降低，甚至造成測(cè)試失敗。目前應(yīng)用較多的解決辦法主要有加入溫控系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償法以及配置參考微環(huán)等［10-11］。其中在整套的傳感系統(tǒng)中加入一個(gè)溫控子系統(tǒng)最為直接，但溫控系統(tǒng)占用較大的空間并且增加能耗，難以實(shí)現(xiàn)高度集成。設(shè)計(jì)參考微環(huán)的方法需要讓參考微環(huán)與待檢測(cè)物隔離，而且要保證與探測(cè)微環(huán)對(duì)溫度變化有相同的感知能力，這對(duì)器件設(shè)計(jì)和制備工藝都提出了更高的要求。同時(shí)如果參考微環(huán)與探測(cè)微環(huán)距離較遠(yuǎn)，在面臨芯片溫度不均勻的情況時(shí)極易出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象。另外，溫度補(bǔ)償方法應(yīng)用正負(fù)熱光系數(shù)材料相互補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)溫度不敏感性，但這種方法對(duì)材料要求較高，限制了器件的制備及應(yīng)用［12-13］。

本文提出應(yīng)用三環(huán)型波導(dǎo)微環(huán)生物傳感器實(shí)現(xiàn)生物傳感無(wú)熱化特性。傳感器芯片的每一個(gè)傳感單元由波導(dǎo)及3個(gè)微環(huán)諧振器構(gòu)成，且3個(gè)微環(huán)的諧振波長(zhǎng)不同。這樣就可以通過(guò)公式換算消去溫度對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)熱化探測(cè)。由于3個(gè)微環(huán)均作為探測(cè)單元應(yīng)用，所以相對(duì)參考微環(huán)方法，本文提出的三環(huán)型波導(dǎo)微環(huán)諧振器生物傳感器沒有浪費(fèi)面積，而且由于3個(gè)微環(huán)密集排列(間距小于10 μm)，避免了芯片溫度不均勻造成的測(cè)量偏差。綜上，本文提出的三環(huán)型波導(dǎo)微環(huán)諧振器生物傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)熱化解決方案，具有無(wú)需溫控裝置、集成度高及不受制備材料限制等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)諧振原理，對(duì)于波導(dǎo)微環(huán)諧振腔，其諧振條件為［12，14-15］:

式中:r為微環(huán)半徑，neff為微環(huán)有效折射率，λc為波導(dǎo)微環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)。對(duì)上式進(jìn)行溫度求導(dǎo)可得到溫度變化對(duì)微環(huán)諧振波長(zhǎng)的影響特性:

另外，對(duì)于微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)生物傳感芯片，通過(guò)設(shè)計(jì)制作參考微環(huán)也可以得到溫度不敏感生物傳感器芯片，這種方法需要設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)不與待測(cè)物質(zhì)接觸的參考微環(huán)，當(dāng)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，以參考微環(huán)作為判斷溫度影響漂移的基準(zhǔn)，從而避免溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這種方法可以在不改變器件制作材料的基礎(chǔ)上避免溫度的影響，對(duì)傳感器芯片制備材料不提出特別要求。但這種方法也存在一些本質(zhì)上的缺點(diǎn):由于基于微環(huán)諧振器的生物傳感器的高集成特性，一塊芯片可以集成上百個(gè)傳感單元，如果一整片生物傳感芯片只配置一個(gè)參考微環(huán)，則參考微環(huán)與探測(cè)微環(huán)距離過(guò)遠(yuǎn)，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果出現(xiàn)芯片溫度不均勻的情況，參考微環(huán)就不可能提供有價(jià)值的參考值。而若在每一個(gè)傳感單元中都布置參考微環(huán)則會(huì)出現(xiàn)面積浪費(fèi)的情況，不利于高集成生物傳感芯片的設(shè)計(jì)制備。

圖1 三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感其芯片傳感單元三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Three dimensional sketch map of the unit of the athermal biosensor with three micro-ring resonators

本文以SOI(Silicon-On-Insulator)為三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器芯片制備材料，其中SOI頂硅層厚為220 nm，下方二氧化硅埋層厚為2 μm。設(shè)計(jì)波導(dǎo)寬度為0.5 μm。本生物傳感器芯片可同時(shí)集成多個(gè)傳感單元，每個(gè)傳感單元由三個(gè)波導(dǎo)微環(huán)諧振器構(gòu)成，圖1為三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器芯片單傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。為了提高器件耦合效率，器件的入射及出射端均采用光柵耦合的方式。經(jīng)由耦合光柵或側(cè)面耦合系統(tǒng)［17］耦合進(jìn)入的電磁波由分束器分為3束［18］，經(jīng)過(guò)3個(gè)微環(huán)諧振器最后由耦合光柵出射，接入探測(cè)設(shè)備即可得到生物傳感器單元的出射譜線，分析可得被測(cè)物的折射率特性，從而分析被測(cè)物成分及含量等特征。

應(yīng)用3個(gè)并聯(lián)微環(huán)諧振器作為一個(gè)傳感單元，編號(hào)為a，b，c的3個(gè)微環(huán)諧振器響應(yīng)波長(zhǎng)分別為1 550、1 500和1 580 nm，如圖2所示。其中微環(huán)諧振器a，b為探測(cè)微環(huán)，用于探測(cè)折射率變化引起的頻移。微環(huán)c為備用微環(huán)，如果微環(huán)a，b均工作正常，則其作為探測(cè)微環(huán)用以提供更多的傳感信息。若微環(huán)a或b工作失常，則其可作為備用微環(huán)承擔(dān)傳感作用，提高生物傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of the athermal biosensor based on three micro-ring resonators

3 設(shè)計(jì)方法

對(duì)于微環(huán)結(jié)構(gòu)生物傳感器，在通入被測(cè)物后，其波長(zhǎng)變化主要由被測(cè)物致折射率變化、溫度致折射率變化以及溫度致形變引起的波長(zhǎng)漂移三部分組成，分別由 Δλn，Δλt和 Δλa表示，那么對(duì)于本文提出的三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就有:

由于選用SOI為傳感器芯片主體材料，且硅的溫度系數(shù)為1.8×10－4/℃，而熱膨脹系數(shù)僅為2.63×10－6/℃，所以，溫度變化致材料膨脹對(duì)探測(cè)器的測(cè)試不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，可以忽略。即便應(yīng)用其他材料制作生物傳感器結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)也可以通過(guò)換算消掉。對(duì)于折射率影響項(xiàng)Δλn和溫度影響項(xiàng)Δλt，其對(duì)波長(zhǎng)漂移的影響主要來(lái)自被探測(cè)物的引入以及溫度變化造成的波導(dǎo)有效折射率的變化，故上式可寫為:

由方程組(4)可見，除去備用微環(huán)方程，可得到含有兩個(gè)未知數(shù)的二元方程組，通過(guò)推到求解即可得到折射率項(xiàng)Δλn結(jié)果，其中Δnw為微環(huán)上包層折射率變化值，Δt為溫度變化值。

溫度對(duì)傳感器的影響主要來(lái)自于溫度變化導(dǎo)致探測(cè)器材料(本文中主要是硅和二氧化硅)折射率的變化，從而影響波導(dǎo)微環(huán)的有效折射率，最終導(dǎo)致微環(huán)響應(yīng)波長(zhǎng)發(fā)生漂移。根據(jù)有效折射率法有［15］:

通過(guò)計(jì)算可得微環(huán)諧振器特性隨溫度的變化曲線，如圖3所示，可見隨著Δt變化，曲線近線性

圖3 微環(huán)諧振器傳輸特性隨溫度的變化曲線Fig.3 Curves of the resonator transmission characteristic as a function of temperature

變化。隨著溫度的升高，波導(dǎo)微環(huán)諧振器的有效折射率逐漸增大，其中諧振波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)有效折射率由1.857 54(Δt=－20℃)增大到1.867 54(Δt=50℃)，如圖 3(a)所示。應(yīng)用式(1)可計(jì)算得到圖3(b)所示溫度致波長(zhǎng)漂移曲線，可見Δt=－20℃時(shí)，微環(huán)的響應(yīng)波長(zhǎng)藍(lán)移2.37 nm，而 Δt=50℃時(shí)，微環(huán)的響應(yīng)波長(zhǎng)紅移5.97 nm。同理對(duì)于相應(yīng)波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)，Δt在－20℃到50℃的區(qū)間內(nèi)，也可得到其有效折射率1.925 1變化到1.936 0，同時(shí)微環(huán)相應(yīng)波長(zhǎng)變化值Δλ由－2.32 nm變化到6.27 nm。

對(duì)圖3(b)中曲線進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)做一次擬合均方差在10－6量級(jí)，比較精確。對(duì)于諧振波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)，溫度影響項(xiàng)Δλt為:

同理，對(duì)于諧振波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)，溫度影響項(xiàng)Δλt為:

折射率項(xiàng)Δλn是決定微環(huán)生物傳感器傳感精度的主要標(biāo)準(zhǔn)，同樣，根據(jù)折射率法可以得到圖4所示折射率變化對(duì)微環(huán)諧振器特性的影響曲線。其中圖4(a)為Δnw對(duì)微環(huán)諧振器有效折射率的影響曲線，對(duì)于響應(yīng)波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)，其有效折射率由1.928 13變化到1.989 53，而響應(yīng)波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)其有效折射率由1.860 66變化到1.925 16。圖4(b)為Δnw對(duì)折射率項(xiàng)Δλn的影響曲線，可見隨著包層折射率的增加，響應(yīng)波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)最大為47.783 18 nm的紅移，而響應(yīng)波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)最大為57.7300 3 nm的紅移。

圖4 微環(huán)諧振器傳輸特性隨上包層折射率變化曲線Fig.4 Transmission characteristic curves of the resonator as a function of cladding refractive index change

對(duì)圖4(b)所示曲線進(jìn)行擬合，得到響應(yīng)波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)折射率影響項(xiàng)Δλn與Δnw之間的關(guān)系為:

同樣，對(duì)于響應(yīng)波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)可以得到:

將式(6～9)帶入到方程組(4)，對(duì)于諧振波長(zhǎng)為1 550 nm的微環(huán)有:

對(duì)于諧振波長(zhǎng)為1 500 nm的微環(huán)則有:

解上述方程，并消去溫度影響項(xiàng)可得到無(wú)熱化生物傳感芯片特征方程:

4 結(jié)果與討論

由式(12)特征方程可知，本文提出的三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器芯片方案可以通過(guò)兩個(gè)不同中心頻率的探測(cè)微環(huán)諧振方程的計(jì)算消去溫度影響項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)生物傳感器的無(wú)熱化方案。而另外一個(gè)微環(huán)則作為候補(bǔ)微環(huán)，若傳感單元中有微環(huán)工作失效，則該微環(huán)可替代失效微環(huán)單元完成探測(cè)任務(wù)。若傳感單元中所有微環(huán)均工作正常，則該微環(huán)作為探測(cè)微環(huán)參與傳感單元的探測(cè)，進(jìn)一步提高傳感單元的探測(cè)精度。圖5為本文提出的三環(huán)型無(wú)熱化生物傳感器的特征曲線，將測(cè)得的波長(zhǎng)漂移帶入到特征方程或特征曲線中，即可得到上包層的折射率變化值，從而分析待測(cè)物的含量及濃度等特征。

圖5 三環(huán)型生物傳感器特征曲線Fig.5 Characteristic curves of the biosensor based on three micro-rings

應(yīng)用本文所提出的方法，也可以對(duì)三個(gè)微環(huán)方程進(jìn)行聯(lián)立求解，這樣就可以消除Δλ1或Δλ2中的一項(xiàng)，從而僅需測(cè)得一個(gè)微環(huán)的波長(zhǎng)變化值就可以根據(jù)特征方程計(jì)算的到待測(cè)物的折射率變化信息，從而分析待測(cè)物的物理特性。

5 結(jié)論

本文通過(guò)將諧振波長(zhǎng)分別為1 500、1 550和1 580 nm的3個(gè)微環(huán)諧振器并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生物傳感器芯片的無(wú)熱化設(shè)計(jì)，其中諧振波長(zhǎng)為1 500和1 550 nm的微環(huán)作為探測(cè)微環(huán)，諧振波長(zhǎng)為1 580 nm的微環(huán)為備用微環(huán)，通過(guò)對(duì)探測(cè)微環(huán)的頻移方程的計(jì)算，可將溫度影響項(xiàng)消除，從而得到與溫度變化無(wú)關(guān)的生物傳感器特征方程。在實(shí)際應(yīng)用中，只需測(cè)量得到探測(cè)微環(huán)的諧振波長(zhǎng)變化量，帶入到特征方程中即可得到折射率變化引起的波長(zhǎng)漂移，從而得到待測(cè)物的含量、濃度等特征。由于探測(cè)微環(huán)間距小于10 μm，故可從根本上解決芯片局部溫度不均勻引起的測(cè)量誤差。另外，備用微環(huán)的配置使得傳感單元在有微環(huán)工作失常的情況下仍能正常探測(cè)，提高了傳感器的穩(wěn)定性及可靠性。相對(duì)于已有的無(wú)熱化方案，本方案具有不受制備材料限制、消除局部溫度不均勻影響、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

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