三環(huán)型波導(dǎo)微環(huán)諧振器無熱化生物傳感器

崔乃迪，寇婕婷，梁靜秋，王惟彪，郭 進，馮俊波，滕 婕，曹國威

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031;3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，吉林長春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，對被測物具有高度選擇性的探測器，在環(huán)境監(jiān)測、生物防范、食品檢測、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，隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展以及片上實驗室(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速度快、靈敏度高、無需標記、不受環(huán)境和電磁波干擾等優(yōu)點，已成為目前生物傳感領(lǐng)域的研究熱點之一［6-8］。

生物傳感器市場規(guī)模龐大，且每年呈上升趨勢，據(jù)美國市場信息反饋專業(yè)公司Market Research估計，到2018年生物傳感市場規(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)的市場規(guī)模將達數(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及經(jīng)濟效益。

對于基于波導(dǎo)微環(huán)諧振器的生物傳感器［9］，其無熱化研究近年來受到了較多的關(guān)注。這主要來源于常用的波導(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)。在測試過程中，溫度引起的噪聲信號與傳感信號疊加，會使傳感測試系統(tǒng)的信噪比降低，甚至造成測試失敗。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，難以實現(xiàn)高度集成。設(shè)計參考微環(huán)的方法需要讓參考微環(huán)與待檢測物隔離，而且要保證與探測微環(huán)對溫度變化有相同的感知能力，這對器件設(shè)計和制備工藝都提出了更高的要求。同時如果參考微環(huán)與探測微環(huán)距離較遠，在面臨芯片溫度不均勻的情況時極易出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。另外，溫度補償方法應(yīng)用正負熱光系數(shù)材料相互補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)溫度不敏感性，但這種方法對材料要求較高，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)生物傳感器實現(xiàn)生物傳感無熱化特性。傳感器芯片的每一個傳感單元由波導(dǎo)及3個微環(huán)諧振器構(gòu)成，且3個微環(huán)的諧振波長不同。這樣就可以通過公式換算消去溫度對探測結(jié)果的影響項，從而實現(xiàn)傳感器的無熱化探測。由于3個微環(huán)均作為探測單元應(yīng)用，所以相對參考微環(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面積，而且由于3個微環(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，相對于傳統(tǒng)的無熱化解決方案，具有無需溫控裝置、集成度高及不受制備材料限制等優(yōu)點。

2 設(shè)計原理

根據(jù)諧振原理，對于波導(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。對上式進行溫度求導(dǎo)可得到溫度變化對微環(huán)諧振波長的影響特性:

另外，對于微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)生物傳感芯片，通過設(shè)計制作參考微環(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)計一個或多個不與待測物質(zhì)接觸的參考微環(huán)，當對測試結(jié)果進行分析時，以參考微環(huán)作為判斷溫度影響漂移的基準，從而避免溫度對測量結(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: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傳感單元，如果一整片生物傳感芯片只配置一個參考微環(huán)，則參考微環(huán)與探測微環(huán)距離過遠，而在實際應(yīng)用過程中，如果出現(xiàn)芯片溫度不均勻的情況，參考微環(huán)就不可能提供有價值的參考值。而若在每一個傳感單元中都布置參考微環(huán)則會出現(xiàn)面積浪費的情況，不利于高集成生物傳感芯片的設(shè)計制備。

圖1 三環(huán)型無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)計波導(dǎo)寬度為0.5 μm。本生物傳感器芯片可同時集成多個傳感單元，每個傳感單元由三個波導(dǎo)微環(huán)諧振器構(gòu)成，圖1為三環(huán)型無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］耦合進入的電磁波由分束器分為3束［18］，經(jīng)過3個微環(huán)諧振器最后由耦合光柵出射，接入探測設(shè)備即可得到生物傳感器單元的出射譜線，分析可得被測物的折射率特性，從而分析被測物成分及含量等特征。

應(yīng)用3個并聯(lián)微環(huán)諧振器作為一個傳感單元，編號為a，b，c的3個微環(huán)諧振器響應(yīng)波長分別為1 550、1 500和1 580 nm，如圖2所示。其中微環(huán)諧振器a，b為探測微環(huán)，用于探測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)計方法

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

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探測器的測試不會產(chǎn)生實質(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)，該項也可以通過換算消掉。對于折射率影響項Δλn和溫度影響項Δλt，其對波長漂移的影響主要來自被探測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，可得到含有兩個未知數(shù)的二元方程組，通過推到求解即可得到折射率項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。

溫度對傳感器的影響主要來自于溫度變化導(dǎo)致探測器材料(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)波長發(fā)生漂移。根據(jù)有效折射率法有［15］:

通過計算可得微環(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)可計算得到圖3(b)所示溫度致波長漂移曲線，可見Δt=－20℃時，微環(huán)的響應(yīng)波長藍移2.37 nm，而 Δt=50℃時，微環(huán)的響應(yīng)波長紅移5.97 nm。同理對于相應(yīng)波長為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，同時微環(huán)相應(yīng)波長變化值Δλ由－2.32 nm變化到6.27 nm。

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

同理，對于諧振波長為1 500 nm的微環(huán)，溫度影響項Δλt為:

折射率項Δλn是決定微環(huán)生物傳感器傳感精度的主要標準，同樣，根據(jù)折射率法可以得到圖4所示折射率變化對微環(huán)諧振器特性的影響曲線。其中圖4(a)為Δnw對微環(huán)諧振器有效折射率的影響曲線，對于響應(yīng)波長為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對折射率項Δλn的影響曲線，可見隨著包層折射率的增加，響應(yīng)波長為1 500 nm的微環(huán)中心波長會出現(xiàn)最大為47.783 18 nm的紅移，而響應(yīng)波長為1 550 nm的微環(huán)中心波長會出現(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

對圖4(b)所示曲線進行擬合，得到響應(yīng)波長為1 500 nm的微環(huán)折射率影響項Δλn與Δnw之間的關(guān)系為:

同樣，對于響應(yīng)波長為1 550 nm的微環(huán)可以得到:

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

對于諧振波長為1 500 nm的微環(huán)則有:

解上述方程，并消去溫度影響項可得到無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)型無熱化生物傳感器芯片方案可以通過兩個不同中心頻率的探測微環(huán)諧振方程的計算消去溫度影響項，從而實現(xiàn)生物傳感器的無熱化方案。而另外一個微環(huán)則作為候補微環(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)作為探測微環(huán)參與傳感單元的探測，進一步提高傳感單元的探測精度。圖5為本文提出的三環(huán)型無熱化生物傳感器的特征曲線，將測得的波長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，也可以對三個微環(huán)方程進行聯(lián)立求解，這樣就可以消除Δλ1或Δλ2中的一項，從而僅需測得一個微環(huán)的波長變化值就可以根據(jù)特征方程計算的到待測物的折射率變化信息，從而分析待測物的物理特性。

5 結(jié)論

本文通過將諧振波長分別為1 500、1 550和1 580 nm的3個微環(huán)諧振器并聯(lián)，實現(xiàn)生物傳感器芯片的無熱化設(shè)計，其中諧振波長為1 500和1 550 nm的微環(huán)作為探測微環(huán)，諧振波長為1 580 nm的微環(huán)為備用微環(huán)，通過對探測微環(huán)的頻移方程的計算，可將溫度影響項消除，從而得到與溫度變化無關(guān)的生物傳感器特征方程。在實際應(yīng)用中，只需測量得到探測微環(huán)的諧振波長變化量，帶入到特征方程中即可得到折射率變化引起的波長漂移，從而得到待測物的含量、濃度等特征。由于探測微環(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，提高了傳感器的穩(wěn)定性及可靠性。相對于已有的無熱化方案，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。

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