波导增强拉曼光谱传感器的设计及其在β地中海贫血疾病筛查中的应用

Waveguide-enhanced Raman spectroscopy sensors have acquired wide attention due to their high sensitivity, high integration and low cost. To solve those important problems such as low functionality and limited application of the current sensor, we proposes to develop a static Fourier transform spectrometer based on multi-mode interference coupler (MMI) on the sensor on-chip system, focusing on the internal relation and law of Fourier transform spectral and self-image imaging principle, and exploring the theoretical design of the device, fabrication process, experimentally verify the outstanding advantages of the proposed scheme in terms of spectral resolution and fabrication tolerance. In aspect of application, exploited the scientific research characteristics and regional advantages of the research group, founded on the screening of β thalassemia disease. Study new ways to capture red blood cells and test Raman spectroscopy by sensor, and give full play to its advantages of high portability and low cost, exploring its applications in point of care, disease diagnosis and drug screening. The project aims to promote the interdisciplinary study of integrated optics and life sciences, providing the necessary foundation for bio-photonics research.

波导增强拉曼光谱传感器以其高灵敏度、高集成度和低成本等优势获得了广泛关注。针对目前传感器存在的诸如功能性不高、应用较局限等重要问题，我们提出在传感器片上系统研制基于多模干涉耦合器(MMI)的静态傅里叶变换光谱仪，深入研究自映像成像原理与傅里叶变换光谱之间的内在联系与规律，探索通过优化器件设计和制备工艺，实验验证所提方案在光谱分辨率、制作容差等方面的突出优势。在应用层面，结合项目组的科研特色和区域性优势，以β地中海贫血（地贫）疾病筛查为切入点，探索利用传感器捕获血红细胞并测试拉曼光谱的新手段，充分发挥其高便携性、低成本等优势，挖掘其在床旁检测、疾病诊断和药物筛选等领域的应用。项目旨在推动集成光学与生命科学的交叉研究，为广泛开展生物光子学的研究提供必要基础。

波导增强拉曼光谱传感器通过波导倏逝场激发物质的拉曼信号，并同时实现拉曼信号的收集，具有成本低、便携性好、信号增强等优势，在疾病检测、生化传感等领域有较好的应用前景。传感器的主要结构包含：波导传感部分，外部光源与芯片的耦合接口部分。优化传感波导的几何尺寸和提高芯片与外部光源的耦合效率能显著增强传感器芯片的整体性能。围绕这些关键问题，项目取得了部分重要的研究成果包括：1、首次在薄膜铌酸锂平台设计并制备了偏振复用光栅耦合器，理论分析和实验表征了器件的耦合效率、偏振相关性损耗、工艺容差和工作带宽等关键性能指标，该工作为铌酸锂薄膜平台提供了新的偏振复用方案，对各类关键的片上应用如：偏振复用的电光调制器、传感器，片上量子偏振态制备等提供了可行的解决方案。研究成果发表在《Chinese optics letters》上。2、研究了多模波导光栅结构中Bloch模式之间存在的偏振模式混杂机制，进一步设计了偏振旋转分束器。理论分析了器件结构参数对器件性能的影响。制备并系统表征了器件的插入损耗、消光比、串扰等关键性能指标。研究表明，器件具有良好的设计灵活性和简单的制造工艺流程，是偏振复用光路的较好方案之一。研究成果发表在《Crystals》上。3、研制了一种高性能可重构的带通滤波器。该滤波器基于耦合谐振腔光波导，由Sagnac反射镜级联组成。通过动态热调每个Sagnac反射镜的反射率，实现从8.50GHz到20.25GHz的带宽调谐，中心波长的调谐范围为216.25GHz。在六阶SLM-CROW中，我们观察到了具有箱式特性的滤波响应，且具有高达70dB的超高消光比和超锐利滚降因子。研究成果发表在《Optics letters》上。该工作提出的可重构SLM-CROW滤波器可以满足下一代WDM网络的需求。负责人在项目执行期间共发表论文4篇，其中SCI论文3篇，中文核心期刊1篇。