三环型波导微环谐振器无热化生物传感器

崔乃迪，寇婕婷，梁静秋，王惟彪，郭 进，冯俊波，滕 婕，曹国威

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088;2.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥230031;3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春130033)

1 引言

生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器，在环境监测、生物防范、食品检测、疾病监控以及药物研发中具有重要的应用［1-5］。近年来，随着光子集成技术的发展以及片上实验室(Lab-on-a-chip)概念的提出及发展，基于光波导微环谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、无需标记、不受环境和电磁波干扰等优点，已成为目前生物传感领域的研究热点之一［6-8］。

生物传感器市场规模庞大，且每年呈上升趋势，据美国市场信息反馈专业公司Market Research估计，到2018年生物传感市场规模将增至168亿美元，若加上传感器周边配套设施，生物传感产业的市场规模将达数千亿美元，生物传感器相关方面的研究具有可观的社会及经济效益。

对于基于波导微环谐振器的生物传感器［9］，其无热化研究近年来受到了较多的关注。这主要来源于常用的波导微环生物传感器制备材料(如硅、氮化硅以及聚合物等)都具有较高的热效应。在测试过程中，温度引起的噪声信号与传感信号叠加，会使传感测试系统的信噪比降低，甚至造成测试失败。目前应用较多的解决办法主要有加入温控系统、温度补偿法以及配置参考微环等［10-11］。其中在整套的传感系统中加入一个温控子系统最为直接，但温控系统占用较大的空间并且增加能耗，难以实现高度集成。设计参考微环的方法需要让参考微环与待检测物隔离，而且要保证与探测微环对温度变化有相同的感知能力，这对器件设计和制备工艺都提出了更高的要求。同时如果参考微环与探测微环距离较远，在面临芯片温度不均匀的情况时极易出现误报现象。另外，温度补偿方法应用正负热光系数材料相互补偿的方式实现温度不敏感性，但这种方法对材料要求较高，限制了器件的制备及应用［12-13］。

本文提出应用三环型波导微环生物传感器实现生物传感无热化特性。传感器芯片的每一个传感单元由波导及3个微环谐振器构成，且3个微环的谐振波长不同。这样就可以通过公式换算消去温度对探测结果的影响项，从而实现传感器的无热化探测。由于3个微环均作为探测单元应用，所以相对参考微环方法，本文提出的三环型波导微环谐振器生物传感器没有浪费面积，而且由于3个微环密集排列(间距小于10 μm)，避免了芯片温度不均匀造成的测量偏差。综上，本文提出的三环型波导微环谐振器生物传感器，相对于传统的无热化解决方案，具有无需温控装置、集成度高及不受制备材料限制等优点。

2 设计原理

根据谐振原理，对于波导微环谐振腔，其谐振条件为［12，14-15］:

式中:r为微环半径，neff为微环有效折射率，λc为波导微环谐振腔的谐振波长。对上式进行温度求导可得到温度变化对微环谐振波长的影响特性:

另外，对于微环谐振腔结构生物传感芯片，通过设计制作参考微环也可以得到温度不敏感生物传感器芯片，这种方法需要设计一个或多个不与待测物质接触的参考微环，当对测试结果进行分析时，以参考微环作为判断温度影响漂移的基准，从而避免温度对测量结果的影响。这种方法可以在不改变器件制作材料的基础上避免温度的影响，对传感器芯片制备材料不提出特别要求。但这种方法也存在一些本质上的缺点:由于基于微环谐振器的生物传感器的高集成特性，一块芯片可以集成上百个传感单元，如果一整片生物传感芯片只配置一个参考微环，则参考微环与探测微环距离过远，而在实际应用过程中，如果出现芯片温度不均匀的情况，参考微环就不可能提供有价值的参考值。而若在每一个传感单元中都布置参考微环则会出现面积浪费的情况，不利于高集成生物传感芯片的设计制备。

图1 三环型无热化生物传感其芯片传感单元三维结构示意图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)为三环型无热化生物传感器芯片制备材料，其中SOI顶硅层厚为220 nm，下方二氧化硅埋层厚为2 μm。设计波导宽度为0.5 μm。本生物传感器芯片可同时集成多个传感单元，每个传感单元由三个波导微环谐振器构成，图1为三环型无热化生物传感器芯片单传感单元结构示意图。为了提高器件耦合效率，器件的入射及出射端均采用光栅耦合的方式。经由耦合光栅或侧面耦合系统［17］耦合进入的电磁波由分束器分为3束［18］，经过3个微环谐振器最后由耦合光栅出射，接入探测设备即可得到生物传感器单元的出射谱线，分析可得被测物的折射率特性，从而分析被测物成分及含量等特征。

应用3个并联微环谐振器作为一个传感单元，编号为a，b，c的3个微环谐振器响应波长分别为1 550、1 500和1 580 nm，如图2所示。其中微环谐振器a，b为探测微环，用于探测折射率变化引起的频移。微环c为备用微环，如果微环a，b均工作正常，则其作为探测微环用以提供更多的传感信息。若微环a或b工作失常，则其可作为备用微环承担传感作用，提高生物传感系统的稳定性。

图2 三环型无热化生物传感器结构示意图Fig.2 Sketch map of the athermal biosensor based on three micro-ring resonators

3 设计方法

对于微环结构生物传感器，在通入被测物后，其波长变化主要由被测物致折射率变化、温度致折射率变化以及温度致形变引起的波长漂移三部分组成，分别由 Δλn，Δλt和 Δλa表示，那么对于本文提出的三环型无热化生物传感器系统来说就有:

由于选用SOI为传感器芯片主体材料，且硅的温度系数为1.8×10－4/℃，而热膨胀系数仅为2.63×10－6/℃，所以，温度变化致材料膨胀对探测器的测试不会产生实质性的影响，可以忽略。即便应用其他材料制作生物传感器结构，该项也可以通过换算消掉。对于折射率影响项Δλn和温度影响项Δλt，其对波长漂移的影响主要来自被探测物的引入以及温度变化造成的波导有效折射率的变化，故上式可写为:

由方程组(4)可见，除去备用微环方程，可得到含有两个未知数的二元方程组，通过推到求解即可得到折射率项Δλn结果，其中Δnw为微环上包层折射率变化值，Δt为温度变化值。

温度对传感器的影响主要来自于温度变化导致探测器材料(本文中主要是硅和二氧化硅)折射率的变化，从而影响波导微环的有效折射率，最终导致微环响应波长发生漂移。根据有效折射率法有［15］:

通过计算可得微环谐振器特性随温度的变化曲线，如图3所示，可见随着Δt变化，曲线近线性

图3 微环谐振器传输特性随温度的变化曲线Fig.3 Curves of the resonator transmission characteristic as a function of temperature

变化。随着温度的升高，波导微环谐振器的有效折射率逐渐增大，其中谐振波长为1 550 nm的微环有效折射率由1.857 54(Δt=－20℃)增大到1.867 54(Δt=50℃)，如图 3(a)所示。应用式(1)可计算得到图3(b)所示温度致波长漂移曲线，可见Δt=－20℃时，微环的响应波长蓝移2.37 nm，而 Δt=50℃时，微环的响应波长红移5.97 nm。同理对于相应波长为1 500 nm的微环，Δt在－20℃到50℃的区间内，也可得到其有效折射率1.925 1变化到1.936 0，同时微环相应波长变化值Δλ由－2.32 nm变化到6.27 nm。

对图3(b)中曲线进行曲线拟合，发现做一次拟合均方差在10－6量级，比较精确。对于谐振波长为1 550 nm的微环，温度影响项Δλt为:

同理，对于谐振波长为1 500 nm的微环，温度影响项Δλt为:

折射率项Δλn是决定微环生物传感器传感精度的主要标准，同样，根据折射率法可以得到图4所示折射率变化对微环谐振器特性的影响曲线。其中图4(a)为Δnw对微环谐振器有效折射率的影响曲线，对于响应波长为1 500 nm的微环，其有效折射率由1.928 13变化到1.989 53，而响应波长为1 550 nm的微环其有效折射率由1.860 66变化到1.925 16。图4(b)为Δnw对折射率项Δλn的影响曲线，可见随着包层折射率的增加，响应波长为1 500 nm的微环中心波长会出现最大为47.783 18 nm的红移，而响应波长为1 550 nm的微环中心波长会出现最大为57.7300 3 nm的红移。

图4 微环谐振器传输特性随上包层折射率变化曲线Fig.4 Transmission characteristic curves of the resonator as a function of cladding refractive index change

对图4(b)所示曲线进行拟合，得到响应波长为1 500 nm的微环折射率影响项Δλn与Δnw之间的关系为:

同样，对于响应波长为1 550 nm的微环可以得到:

将式(6～9)带入到方程组(4)，对于谐振波长为1 550 nm的微环有:

对于谐振波长为1 500 nm的微环则有:

解上述方程，并消去温度影响项可得到无热化生物传感芯片特征方程:

4 结果与讨论

由式(12)特征方程可知，本文提出的三环型无热化生物传感器芯片方案可以通过两个不同中心频率的探测微环谐振方程的计算消去温度影响项，从而实现生物传感器的无热化方案。而另外一个微环则作为候补微环，若传感单元中有微环工作失效，则该微环可替代失效微环单元完成探测任务。若传感单元中所有微环均工作正常，则该微环作为探测微环参与传感单元的探测，进一步提高传感单元的探测精度。图5为本文提出的三环型无热化生物传感器的特征曲线，将测得的波长漂移带入到特征方程或特征曲线中，即可得到上包层的折射率变化值，从而分析待测物的含量及浓度等特征。

图5 三环型生物传感器特征曲线Fig.5 Characteristic curves of the biosensor based on three micro-rings

应用本文所提出的方法，也可以对三个微环方程进行联立求解，这样就可以消除Δλ1或Δλ2中的一项，从而仅需测得一个微环的波长变化值就可以根据特征方程计算的到待测物的折射率变化信息，从而分析待测物的物理特性。

5 结论

本文通过将谐振波长分别为1 500、1 550和1 580 nm的3个微环谐振器并联，实现生物传感器芯片的无热化设计，其中谐振波长为1 500和1 550 nm的微环作为探测微环，谐振波长为1 580 nm的微环为备用微环，通过对探测微环的频移方程的计算，可将温度影响项消除，从而得到与温度变化无关的生物传感器特征方程。在实际应用中，只需测量得到探测微环的谐振波长变化量，带入到特征方程中即可得到折射率变化引起的波长漂移，从而得到待测物的含量、浓度等特征。由于探测微环间距小于10 μm，故可从根本上解决芯片局部温度不均匀引起的测量误差。另外，备用微环的配置使得传感单元在有微环工作失常的情况下仍能正常探测，提高了传感器的稳定性及可靠性。相对于已有的无热化方案，本方案具有不受制备材料限制、消除局部温度不均匀影响、集成度高等优点。

［1］ CLAES T，BOGAERTS W，BIENSTMAN P.Vernier-cascade label-free biosensor with integrated arrayed waveguide grating for wavelength interrogation with low-cost broadband sours［J］.Opt.Lett.，2011，36(17):3320-3322.

［2］ DE V K，GIRONES J，CLAES T，et al..Multiplexed antibody detection with an array of silicon-on-insulator microring resonators［J］.IEEE Photonics J.，2009，1(4):225-235.

［3］ FUKUYAMA M，UAMEMIYA Y，ABE Y，et al..Sensitivity improvement of biosensors using Si ring optical resonators［J］.Jpn.J.Appl.Phys.，2011，50:04DL11.

［4］ 周明辉，廖春艳，任兆玉，等.表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用［J］.中国光学，2013，6(5):633-642.

ZHOU M H，LIAO CH Y，REN ZH Y，et al..Biomaging technologies based on surface-enhanced raman spectroscopy and their applications［J］.Chinese Optics，2013，6(5):633-642.(in Chinese)

［5］ 郝影，孔梅，陆军.带有增益的单位换算谐振器的光速控制行为［J］.中国光学，2013，2(6):482-488.

HAO Y，KONG M，LU J.Control of light speed in single-ring microresonators with gain［J］.Chinese Optics，2013，2(6):482-488.(in Chinese)

［6］ DE VOS K，BARTOLOZZI I，SCHACHT E，et al..Silicon-on insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing［J］.Opt.Express，2007，15(12):7610-7615.

［7］ CLAES T，GIRON SMOLERA J，DE VOS K，et al..Label-free biosensing with a slot-waveguide-based ring resonator in silicon on insulator［J］.IEEE Photonics J.，2009，1(3):197-204.

［8］ CARMEN M，ESTEVEZ，ALVAREZ M，LECHUGA L M.Integrated optical devices for lab-on a-chip biosensing applications［J］.Laser Photonics Rev.，2011，6(4):1-25.

［9］ 李明宇，薛懿，罗根，等.平面光波导生物传感器微流通道的不可逆封合［J］.中国光学，2013，6(1):103-110.

LI M Y，XUE Y，LUO G，et al..Irreversible adherence of micro-fluidic channel of bio-sensor on slab optical waveguide［J］.Chinese Optics，2013，6(1):103-110.(in Chinese)

［10］ IQBAL M，GLEESON M A，SPAUGH B，et al..Label-free biosensor arrays based on silicon ring resonators high-speed optical scanning instrumentation［J］.IEEE J.Sel Top Quantum Electron，2010，16:654-661.

［11］ QAVI A J，MYSZ T M，BAILEY R C.Isothermal discrimination of single-nucleotide polymorphisms via real-time kinetic desorption and label-free detection of DNA using silicon photonic microring resonator array［J］.Anal Chem，2011，83:6827-6833.

［12］ 王凌华.聚合物集成光子器件的优化制备及其应用研究［D］.大连:大连理工大学，2013.

WANG L H.Fabrication optimisation of polymer integrated photonic devices and their applications［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2013.(in Chinese)

［13］ WANG L，HAN X，GU Y，et al..Optical biosensors utilizing polymer-based athermalmicroringresonators［J］.SPIE Photonics Europe，2012，8427:842731.

［14］ TENG J，DUMON P，BOGAERTS W，et al..Athermal Silicon-on-insulator ring resonators by overlaying apolymer cladding on narrowed waveguides［J］.Opt.Express，2009，17:14627-14633.

［15］ 马春生，刘式墉.光波导模式理论［M］.长春:吉林大学出版社，2006.

MA CH SH，LIU SH Y.The Mode Theory of Light Waveguide［M］.Changchun:Jilin University Press，2006.(in Chi-nese)

［16］ KEIL N，YAO H H，ZAWADZKI C.Athermalpolarisation-independentarrayed-waveguide grating(AWG)multiplexer using an all-polymer approach［J］.Appl.Phys.B，2001，73:619-622.

［17］ CUI N D，LIANG J Q，LIANG ZH ZH，et al..A photonic crystal side-coupled waveguide based on a high-quality-factor resonator array［J］.Chin.Phys.B，2012，21(3):275-282.

［18］ 谭振宇，张峰，陈长鸣，等.650 nm聚合物阵列波导光栅波分复用器设计［J］.中国光学，2012，5(1):70-76.

TAN ZH Y，ZHANG F，CHEN CH M，et al..Design of wavelength division multiplexer of polymer arrayed waveguide grating at 650 nm［J］.Chinese Optics，2012，5(1):70-76.(in Chinese)