一种基于片上集成光波导生物传感器芯片的折射率检测方法

技术领域

本发明涉及光波导生物传感器，尤其是一种基于片上集成光波导 生物传感器芯片的折射率检测方法。

背景技术

目前，基于微环的光波导生物传感器得到了广泛的研究。由于环 的谐振峰具有非常大的Q值(Q＝λ_res/Δλ_3dB,λ_res是环的谐振波长，Δλ_3dB是环响应频谱的半最大值全宽，即3dB带宽)，从而使得环的3dB带 宽值Δλ_3dB非常小，所以要精确探测环谐振时的中心响应波长就需要 使用高精度的可调谐激光器或者是高精度的光谱仪，这大大增加了检 测成本。M.Iqbal等人(M.Iqbal,etal,Label-freebiosensorarraysbased onsiliconringresonatorsandhigh-speedopticalscanninginstrumentation, IEEEJSTQE,vol.16,no.3,pp.654-661,2010.)利用微环做为传感单元 并结合复杂的高精度扫面系统实现了10^-7量级的折射率探测灵敏度以 及多种生物分子的实时检测，整个系统由于使用了分立元件，结构较 为复杂，成本非常昂贵。D.-X.Xu等人(D.-X.Xu,etal,Real-time cancellationoftemperatureinducedresonanceshiftsinSOIwire waveguideringresonatorlabel-freebiosensorarrays,Opt.Express,vol.18, no.22,pp.22867-22879,2010.)提出了将参考环和传感环一起置入微流 通道中以使参考环和传感环具有真正意义上相同的外界环境来进行生 物检测的结构示意，然后在利用参考环和传感环之间的温度变化关系 将传感环中的温度效应进行消除从而进一步提高最终测试数据的真实 可靠性，但是该结构中使用了分辨率为1pm的高精度可调谐激光器， 增大了检测成本。浙江大学的何建军研究小组提出了双环级联的传感 检测示意(LeiJin,etal,Opticalwaveguidedouble-ringsensorusing intensityinterrogationwithlow-costbroadbandsource,OpticsLetters,vol. 36,no.7,pp.1128–1130,2011.)，它利用传感环和参考环之间微弱的自 由光谱范围(FSR)差异来对传感信号进行游标放大，大大提高了传感检 测灵敏度，同时在传感器的输入端利用宽谱光源作为检测光源大大降 低了检测成本，该结构虽然具有简单、灵敏度高和成本低等优点，但 是传感环和参考环二者之间所处的外界环境差异(比如二者的温度相 关性等)较大，所以该结构中的温度噪音信号也同时被游标放大，使得 我们很难从最终的检测信号中区分出噪音部分，对实验结果的准确性 造成了一定影响，同时光源功率的抖动也会影响检测结果的准确性。

现有的基于微环的光波导传感器都需要配备高精度的可调谐激光 器、光谱仪或者复杂的高精度扫描检测系统，同时该微环传感器还具 有温度相关问题，需要辅以相关的温度变化参照结构来消除温度引起 的传感信号变化，另一方面，片上集成的生物传感器芯片由于其小型 化、低成本、性能优良，能与电路系统集成并最终实现一个功能化的 模块，该模块可以广泛应用于便携式医疗、电子移动设备等中，因而 片上集成的生物传感芯片的研究备受瞩目。

发明内容

为了克服现有基于微环的光波导传感器的检测成本高以及微环传 感器面临的温度相关问题的不足，本发明提供了一种基于片上集成光 波导生物传感器芯片的折射率检测方法，降低基于微环的光波导传感 器的检测成本以及有效解决微环传感器面临的温度相关问题，并实现 一个片上集成的芯片化传感检测系统。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于片上集成的光波导生物传感器芯片的折射率检测方法， 该检测方法采用的检测装置包括一个集成的宽带光源、至少一个微环 的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽 带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三 条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的 中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两 条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导 和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随 外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化 的波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关性；

所述折射率检测方法采用重心检测方法，包括如下过程：

传感微环的中心响应波长λ_ring所对应的光场经过中心输入波导I₀进入阵列波导光栅中传输，经输出阵列波导输出，最后耦合进探测器 阵列中，并且探测器阵列中的第#i个探测器接收到的光功率为 Power_i(λ_ring)，利用重心算法推算出传感微环在t时刻的中心谐振波长 λ^t_{ring_AWG}，即：${\lambda }_{ring\_AWG}^t=\frac{\underset{i}{\Sigma }Power\_i\left({\lambda }_{ring}\right)\lambda \_i\_I_0}{\underset{i}{\Sigma }Power\_i\left({\lambda }_{ring}\right)},$将该波长λ^t_{ring_AWG}与传感微环的初始响应波长λ⁰_{ring_AWG}比较就推算出传感微环中进行物 质检测后的波长漂移量Δλ；再根据波长漂移量Δλ和所检测物质折射 率之间的标定关系，就推算出实际检测物质的折射率。

进一步，所述阵列波导光栅具有三根输入波导，分别标记为I_-1、 I₀和I₁，I₀为中心输入波导且与微环传感区域的下载端输出波导相连 接，I_-1和I₁关于I₀对称，输入波导I₀和阵列波导光栅的第一个平板波 导之间插入了一段线性锥形展宽区域，该展宽区域的末端宽度主要取 决于I₀端的输入光场在阵列波导光栅第二个平板波导的聚焦线上再次 聚焦时该光场能量能被多少个相邻输出通道所接收，同时输入波导I_-1和I₁在与阵列波导光栅第一个平板波导的连接处的入口宽度和输出阵 列波导在与第二个平板波导的连接处的入口宽度相同。

再进一步，所述的微环传感区域含有N(N≥2)个微环时，各微环 之间具有相同的波导结构参数以及不同的环周长；阵列波导光栅的输 出阵列波导被分割成独立的N组，每一组对应一个传感微环的检测， 并分别利用重心算法推算出每一组对应的传感微环的谐振波长信息。

本发明的有益效果主要表现在：1、实现无热的传感检测，该芯片 无需额外的温控设备以及温度参考器件，降低了芯片的功耗与成本；2、 它以集成的宽带光源作为检测光源，利用阵列波导光栅来推测传感微 环的谐振波长，同时利用集成的探测器阵列来获取阵列波导光栅各输 出通道中的功率大小进而分析传感微环中发生的信息变化，整个芯片 的检测无需昂贵的高精度可调谐激光器或者光谱仪，大大降低了成本； 3、它可以在不同的材料平台中实现，比如氮化硅(Si₃N₄)和硅(Si)等平 台。

附图说明

图1是本发明提出的一种无热的片上集成光波导生物传感器芯片 的具体实施方式结构示意图，其中传感区域只有一个微环。

图2是本发明提出的一种无热的片上集成光波导生物传感器芯片 的具体实施方式结构示意图，其中传感区域含有多个微环。

图3是阵列波导光栅(AWG)的结构示意图。

图4是传感微环在待检测溶液或分析物作上包层时的波导横截面 示意图。

图5是阵列波导光栅中阵列波导的横截面示意图。

图6是阵列波导光栅的中心输入波导在该波导与输入平板波导交 界面上的场分布再次聚焦于输出平板波导聚焦线上时被耦合进阵列波 导光栅的相邻多根输出波导中的示意图。

图7是对阵列波导光栅的输出光谱利用重心算法推算传感微环谐 振波长的示意图。

图8是硅芯层厚度为250nm的SOI条形波导分别在不同上包层情 况下的温度相关性随波导宽度变化的示意图。

图9是室温25℃时，传感区域包层为纯水(折射率为1.325)溶液时 AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。

图10是50℃时，传感区域包层为纯水(折射率为1.32224)溶液时 AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。

图11是25℃时，传感区域包层为含分析物的(折射率为1.335)溶 液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。

图12是50℃时，传感区域包层为含分析物的(折射率为1.33224) 溶液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。

图13是外界环境温度分别为0℃、25℃、50℃和80℃时，传感区 域在不同折射率的水溶液中，利用传感微环的直通输出端得到的波长 漂移量以及通过重心算法利用阵列波导光栅的光谱检测到的波长漂移 量(其中，线条表示环的直通端中计算得到的谐振波长漂移大小，离散 点表示AWG中检测到的微环的谐振波长漂移大小)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图13，一种基于片上集成的光波导生物传感器芯片的 折射率检测方法，该检测方法采用的检测装置包括一个集成的宽带光 源1、至少一个微环的传感区域2、一个阵列波导光栅(AWG)11、一个 探测器阵列20，所述的宽带光源1和微环传感区域2的输入端相连接， 所述的阵列波导光栅11包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列 波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域2 的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对 称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列 20相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量 和阵列波导光栅11随外界环境温度变化的波长漂移量相同，即二者具 有相同的温度相关性；

所述折射率检测方法采用重心检测方法，包括如下过程：

传感微环的中心响应波长λ_ring所对应的光场经过中心输入波导I₀进入阵列波导光栅中传输，经输出阵列波导输出，最后耦合入探测器 阵列中，并且探测器阵列中的第#i个探测器接收到的光功率为 Power_i(λ_ring)，利用重心算法就可以推算出传感微环在t时刻的中心谐 振波长λ^t_{ring_AWG}，即：${\lambda }_{ring\_AWG}^t=\frac{\underset{i}{\Sigma }Power\_i\left({\lambda }_{ring}\right)\lambda \_i\_I_0}{\underset{i}{\Sigma }Power\_i\left({\lambda }_{ring}\right)},$将该波长 λ^t_{ring_AWG}与传感微环的初始响应波长λ⁰_{ring_AWG}比较就推算出传感微环 中进行物质检测后的波长漂移量Δλ；再根据波长漂移量Δλ和所检测 物质折射率之间的标定关系，就推算出实际检测物质的折射率。

宽带光源1发出的光耦合到传感区域2的传感微环4中，经谐振 后由传感微环4的下载端5输出到阵列波导光栅的中心输入端I₀6， 并经过与6连接的线性锥形展宽区域7进入阵列波导光栅11中传输， 最后由阵列波导光栅的输出阵列波导12耦合进与之相连接的探测器 阵列20中。

阵列波导光栅11具有三个输入端8(I_-1)、9(I₁)、6(I₀)且8和9关于 6对称，阵列波导光栅的中心输入端I₀6与阵列波导光栅11相连接的 地方插入了一段线性锥形展宽区域7，且7的末端展宽宽度16主要取 决于6的输入光场分布21在阵列波导光栅第二个平板波导19的聚焦 线13上再次聚焦时该光场能量能被多少个相邻输出通道接收，图4 给出了该输入光场21在输出聚焦线13上聚焦时被相邻四个输出波导 所接收的示意图，当21只被一个输出波导接收时，7的末端宽度16 与输出阵列波导12的入口宽度14相同；当16被超过一根输出波导接 收时，7的末端宽度16大于输出阵列波导12的入口宽度14。同时， 8和9的末端宽度17与输出阵列波导12的入口宽度14相同。

阵列波导光栅11的各输出阵列波导12对应于I₀端6输入时的各 通道中心响应波长的确定主要通过参考输入端I_-18和I₁9确定，即对 应于6输入时第#i个输出通道的中心响应波长λ_i_I₀应分别是在8和 9分别输入时该通道得到的中心响应波长λ_i_I_-1和λ_i_I₁的平均值，即 λ_i_I₀＝(λ_i_I_-1+λ_i_I₁)/2，所以测量了从8和9分别输入时12中对应 的输出响应波长就可以推算出6输入时12中各通道的中心响应波长 λ_i_I₀，外接光源的光耦合进入参考输入端8和9是通过芯片表面的光 栅耦合器10实现。

传感区域的微环4随温度变化的输出波长漂移量和阵列波导光栅 11随温度变化的输出波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关 性。由于微环和阵列波导光栅二者随温度变化的波长漂移量主要取决 于波导尺寸、工作波长和波导上包层材料的热光系数，图5、6分别给 出了传感微环4和阵列波导光栅11的阵列波导15所使用的波导横截 面示意图。在设计所述芯片时，首先考虑含待检验物质的分析物做传 感微环4的上包层材料时，传感微环4在某一特定波长和不同波导结 构下随温度变化的波长漂移系数，接着再考虑阵列波导光栅11随温度 变化的波长漂移系数，阵列波导光栅11的上包层材料的选择主要从稳 定性、易开窗口和热光系数来考虑，同时计算出阵列波导光栅11在特 定工作波长和选定的上包层材料下随不同阵列波导15尺寸变化的波 长漂移系数，最后比较传感环4和阵列波导光栅11的温度相关系数， 确定二者相同时所对应的各自波导尺寸，需要注意的是传感微环4的 波导尺寸的选取要同时兼顾传感检测的灵敏度高和波导传输损耗小。

当传感区域2含有N(N≥2)个不同周长的谐振微环4时，阵列波 导光栅11的输出阵列波导12被分割成独立的N组，每一组对应一个 传感微环的检测，并分别利用重心算法推算出每一组对应的传感微环 的谐振波长信息。

下面我们将以一个实际的例子来对本发明作进一步阐述：

考虑硅层厚度为250nm的SOI材料，选择SU-8聚合物和二氧化 硅材料作为整个芯片的上包层，同时考虑传感区域的检测物质为不同 折射率的水溶液，而该情形是大多数生物传感器的检验类型。下表给 出了所涉及材料的物理参数：

图8给出了基于条形波导的传感微环在水溶液作上包层(波导结构 如图5a所示)和阵列波导光栅(波导结构如图6a所示)分别在SiO₂和 SU-8作上包层时，波导的工作模式为TM基模，传感微环和AWG的 光谱随温度变化的关系示意图，从该图我们可以看出传感微环和AWG 的温度相关性与波导宽度和上包层材料有关。综合考虑到传感微环中 的波导宽度应满足单模传输和低损耗的要求以及AWG的良好性能(即 波导宽度不能太窄)，同时考虑到微环开传感窗口的简单可操作性，我 们选择SU-8作为整个芯片的上包层，且该材料具有很好的稳定性和 寿命，在CMOS工业中广泛使用。为了达到芯片的无热特性，传感微 环和AWG应该具有相同的温度相关性，根据图8，当传感微环的宽 度在400nm附近和阵列波导光栅在SU-8作上包层时宽度在1000nm 附近二者具有相同的温度相关性，并且400nm时传感微环具有很好的 灵敏度和较小的波导传输损耗，同时1000nm的波导宽度也使马鞍形 结构的阵列波导光栅(图3所示)具有很好的性能。从该图还可以看出， 对于阵列波导光栅的波导在SU-8作上包层且宽度大于1000nm时，它 随波导宽度变化的温度相关性趋于不变，即改变波导宽度时，阵列波 导光栅随温度变化的波长漂移量不变，也就是说在1000nm宽度下， 阵列波导光栅中的阵列波导和平板波导(可以看做是波导宽度远远大 于1000nm的条形波导)具有相近的波长漂移量，减小了平板波导的温 度相关性引起的检测误差，同时该宽度下阵列波导具有较大的制作容 差。

确定好传感微环4和阵列波导光栅11的波导尺寸后，我们就需要 确定阵列波导光栅11在中心输入端I₀6输入时各输出通道对应的中心 响应波长λ_i_I₀，在设计中，我们设计阵列波导光栅具有16个输出通 道且通道间距为0.8nm，同时所设计的传感微环4的自由光谱范围应 大于设计的阵列波导光栅11的通道间距和通道个数的乘积(0.8× 16＝12.8nm)，阵列波导光栅11的输出通道序数为1～16，每一个通道 对应的中心响应波长为1544.4nm～1556.4nm，步长为0.8nm，然而在 实际制作的芯片中，我们需要利用关于6(输入端I₀)对称的8(输入端I_-1) 和9(输入端I₁)来推算出6输入时对应的各输出通道的中心响应波长 λ_i_I₀。在设计好各输出通道对应的中心输出波长后，我们需要设计6 的展宽区域7的末端宽度16，假设设计的阵列波导光栅的输出阵列波 导12与19连接的入口宽度14为0.8μm，相邻输出通道中心间距为 1.5μm，为使6输入时的输入场21能被10/3个相邻输出通道接收，选 择7的末端宽度16为1.5×10/3＝5μm。

接下来，我们考虑传感微环4中的溶液折射率从1.325变化到 1.345且步长为0.005，同时外界温度分别为0℃，室温25℃，50℃， 80℃时，传感微环4的直通输出端3计算出的波长漂移量和对探测器 阵列20中检测到的功率值利用重心算法推算出的波长漂移量。图9 给出了室温25℃时，当水溶液的折射率为1.325时，传感微环的中心 谐振波长为1550nm的光经过阵列波导的中心输入端6进入阵列波导 光栅11中传输后在阵列波导光栅的各输出通道12中得到的功率分布 示意图，可以看出整个功率在输出通道中的分布关于通道8对称，且 通道8的功率最大，而AWG中通道8的设计中心波长为1550nm，图 10给出了外界温度为50℃时，在阵列波导光栅的各输出通道12中检 测到的传感微环在环境温度变化引起的谐振中心波长变化后得到的各 通道输出功率分布图，从该图看出该功率分布仍然关于通道8(中心响 应波长为1550nm)呈对称分布，并且通道8中功率最大，由此证明了 所设计芯片的无热化特性，即阵列波导光栅的各输出通道中检测到的 功率分布不随外界环境温度的变化而变化。图11给出了25℃时，传 感区域包层为折射率为1.335的水溶液时阵列波导光栅的各输出通道 中检测到的功率分布示意图，从该图看出由于传感区域包层折射率的 变化引起的传感微环谐振中心波长的变化引起了阵列波导光栅的各输 出通道中检测到的功率分布变化，相比于图9，图11的最大功率值出 现在通道10且功率分布没有对称性。图12给出了50℃时，在该水溶 液中，阵列波导光栅的各输出通道中检测到的功率分布示意图，可以 看出图11和图12具有相同的功率分布，再一次证明了所设计芯片的 温度不敏感特性。根据阵列波导光栅中标定的各通道中心响应波长 1544.4nm～1556.4nm(间隔0.8nm)和各通道中检测到的功率分布大小， 我们得到了外界环境温度分别为0℃、25℃、50℃和80℃时，传感区 域在不同折射率的水溶液中时利用传感微环的直通输出端3得到的波 长漂移量以及利用重心算法得到的阵列波导光栅中检测到的波长漂移 量，如图13所示，其中，线条表示利用传感微环的直通输出端3计算 出的波长漂移，离散点表示利用重心法根据阵列波导光栅各输出通道 中的检测结果推算出的波长漂移，从该图可以看出，传感微环的谐振 中心响应波长的漂移与外界环境温度和水溶液的折射率有关，但是无 论外界温度怎么变化，只要传感微环中检测溶液不变，那么对阵列波 导光栅的各输出通道中的功率分布利用重心法推算出的波长漂移量就 始终恒定，并且随着传感微环上包层溶液浓度的变化，阵列波导光栅 中推算出的波长漂移大小分布在室温25℃时通过传感微环的直通输 出端3计算得到的波长漂移线上，这充分说明我们设计的生物传感器 芯片是温度不敏感的，并且波长的漂移只与传感微环上包层溶液(即分 析物)的折射率变化有关，并且直接检测微环直通输出端得到的波长 漂移量(室温下)和对阵列波导光栅利用重心法推算出的波长漂移量相 同，这进一步说明所设计芯片检验结果的可靠性。

此外，图2还给出了并列式传感检测的生物传感器芯片示意图， 它除了传感检测区域含有N(N≥2)个不同周长的传感微环外，其他设 计参数都与前面设计相同，关于各个微环的中心响应波长检测，只需 将阵列波导光栅的输出阵列波导12分成N(N≥2)个独立的部分，每一 部分对应于一个传感微环的检测，互不干扰，接着在对每一独立部分 利用前面所述的重心方法进行检测。