基于纳米光波导复合微腔的高灵敏度生化传感器及阵列研究

集成光波导生化传感器具有可靠性高、体积小、重量轻、便于大批量生产等突出优势，是信息与生命科学等多学科交叉研究方向。针对生物化学分析方面的微量检测需求，本项目以"基于纳米光波导复合微腔的高灵敏度生化传感器及阵列"为研究主题，主要研究：(1)具有倏逝波增强效应的新型纳米光波导结构（如悬挂纳米光波导等）；(2)用于高灵敏度生化传感的反馈式、数字式复合微腔及阵列等新结构与新机理；(3)适用于新颖纳米光波导/复合微腔等结构的先进制备工艺及微流通道集成技术。着重解决新颖纳米光波导与复合微腔中的设计问题、耦合问题以及制备工艺问题。通过纳米光波导与新颖复合微腔结合的方式，研制出具有超高灵敏度的新型集成光波导生物传感器及阵列（通道数>4）。并与微流集成技术结合，实现实时监测，为实现高灵敏度集成光波导生物传感器的阵列化、多参量化、小型化、便携化打下良好的理论和实验基础。

本项目开展了基于纳米光波导复合微腔的高灵敏度生化传感器的研究，主要进展包括：.（1）鉴于微纳光波导是集成光传感器的基础，提出并研制了悬挂式SiO2光波导、无刻蚀SU-8脊型光波导、硅基混合表面等离子体纳米光波导等新颖强限制微纳光波导，克服了传统光波导的缺点，可满足高灵敏度、高集成度、低成本等要求，适合于近红外、可见光波段传感应用；针对强限制光波导及器件的偏振敏感问题，提出了基于非对称耦合系统的新型偏振分束器(PBS)设计思路，研制了一系列超小型光波导PBS，克服了传统设计的缺点。.（2）研制了基于游标原理的级联双环光传感器，并结合悬挂光波导结构获得了超高灵敏度~105nm/RIU，比单环传感器提高了2~3个数量级；还研制了基于马赫-泽德耦合器（MZI）的微腔传感器，利用MZI耦合系数的波长相关性，使微腔自由频谱范围（FSR）提高了>10倍，极大拓展了动态范围，突破了最小弯曲半径导致的限制；研制了半径仅为800nm的悬挂式蝶形谐振腔，其FSR近百nm，满足了对动态范围的要求，且悬挂式结构也显著提高了其传感灵敏度；提出并实现了一种基于弯曲多模干涉（MMI）耦合器的微腔，通过调整弯曲MMI耦合器角度实现了对其耦合器分光比及微腔Q值进行调节，可实现高灵敏度光传感。.（3）对用于光传感的光谱分析芯片的关键器件——阵列波导光栅进行了研究，先后研制了48路小型化SU-8阵列波导光栅、硅纳米线超小型阵列波导光栅，为实现集成式微型光谱仪提供了重要基础。.本项目在美国光学学会期刊、IEEE期刊等发表论文18篇，其中特邀综述论文2篇（Laser & Photonics Reviews 1篇，IF=7.976）、Opt Lett 6篇（IF>3）、Opt Express 5篇（IF>3）、IEEE期刊6篇；美国Photonics West等重大会议作特邀报告7次，口头报告10次（美国OFC论文1篇、Photonics West 1篇、ACP 2013 Post-Deadline Paper 1篇），申请发明专利3项。成果2次被SPIE Newsroom专文介绍、3次为期刊当月Top Downloaded Article、1项入选Electron Lett的In Brief专栏、1项入选为“The Best in Integrated Optics From Optics Express”。