基于级联的半导体激光器和微环谐振腔的异质集成光传感器研究

The goal of this project is to design, fabricate and characterize the actvie and passive integrated optical sensor with high resolution and small footprint which can be used in biological and enviromental sensing.The sensor is consist of a Fabry-Perot(FP) laser based on InP and a micro ring resonator (MRR) based on SOI. The FP laser and MRR can produce Vernier effect in order to improve the sensitivity of the sensor. The sensor is using wafer bonding technique to integrate the laser with the MRR, which will significantly diminish the coupling loss and improve the reliability and stability of the sensor. The emission from the laser can be vertically coupled into the passive waveguide based on SOI and then coupled with the MRR. The sensor chip with the laser source can be integrated with microfluidic channel in order to test tiny amout of liquid sample. This project will establish the theoratical modal and verify the advantages of the hybridly integrated optical waveguide sensor. Finally, the novel high-resolution, active and passive integrated, and low-cost optical waveguide sensor will be built, which can be applied to the fields of biology, healthcare, enviorment and food industry.

本项目的研究目标是设计、制作和检测一种高灵敏度的、光源集成的、可应用于生物和环境检测的光波导传感器。该传感器包含有一个基于磷化铟（InP）材料的法布里-珀罗（FP）激光器和一个基于SOI材料的微环谐振器（MRR）。利用FP激光器与微环谐振腔之间产生的游标效应，可提高检测的灵敏度。该传感器将利用键合技术，将FP激光器与微环制作在同一块芯片上，这将大大降低器件成本并且提高器件的可靠性与稳定性。光源发出的光经过垂直耦合，由SOI片上制作的高灵敏度微环谐振腔结构检测。芯片将与微流体通道结合，实现微量液体样品的检测。本项目将建立完整的理论模型，并在实验上验证该传感器的优越性。最终制作出一种集成化、低成本、高精度、可广泛应用于生物检测和环境监测的新型集成传感器。

随着生物医学、制药、环境监测、食品工业等领域的发展，开发新一代的集成化生物传感器成为了未来生物传感器发展的趋势。本项目的主要研究内容是设计、制作和检测一种高灵敏度的、光源集成的、可应用于生物和环境检测的光波导传感器。该传感器包含有一个基于磷化铟（InP）材料的法布里-珀罗（FP）激光器和一个基于SOI材料的微环谐振器（MRR）。该传感器利用键合技术，将FP激光器与微环制作在同一块芯片上，这将大大降低器件成本并且提高器件的可靠性与稳定性。光源发出的光经过端面耦合，由SOI片上制作的高灵敏度微环谐振腔结构检测。芯片将与微流体通道结合，实现微量液体样品的检测。在研究中，我们验证了FP激光器与微环谐振器的游标效应，基于此效应可提高检测的灵敏度，并且由于FP激光器增益谱的影响，可以将原本微环传感器的光谱测量方式转变为功率测量方式，大大减小了检测难度和成本。为了实现特异性传感的效果，我们研究了基于抗原-抗体结合的免疫传感法和基于分子印迹膜的传感法，并分别进行了针对人类免疫球蛋白G(hIgG)和睾酮的传感实验验证与测试。我们采用倒装键合的方法，能够形成有效的电接触和粘合力，同时利于降低成本以及规模化生产。利用控制绝缘层厚度的方式保证了垂直方向上的对准精度±20nm，但是由于贴片机精度的问题，水平方向上的贴片错位较严重，导致耦合效率低，难以制作完整的集成传感系统进行检测。另外由于实验室改造，重要仪器几乎一年处于停用状态，严重拖延了项目进度。但是经过该项目研究，我们积累了丰富的倒装键合技术经验，解决了很多工艺细节上的困难，今后只需尽量提高贴片精度和对准容差，即可实现真正的集成化、低成本、高精度、可广泛应用于生物检测和环境监测的新型集成传感器。