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1、华中科技大学 硕士学位论文 光学微环生物传感器的设计与优化 姓名：夏志轩 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：周治平 20070529 I 摘 要 微环谐振腔具有高品质因数、低成本的特点。由于它基于平面波导结构，因而易 于同其它光电芯片和微流控芯片集成，并且进行化学表面处理。另外，谐振效应的引 入能够在提高灵敏度的同时大大缩小器件的尺寸，所以基于微环谐振腔的生物传感器 是一种高灵敏度的，可对微量生物物质进行探测的传感器。本文在国家自然科学基金 的资助下，对微环生物传感器的理论模型和性能参数做了系统性的分析研究，完成的 主要工作有以下几点： (1) 基于模式耦合理论和时域有限差分法
2、，深入研究直波导与弯曲波导的耦合性 质，并在此基础上建立微环谐振腔的理论模型，得到器件的主要参数如自由频谱区间 FSR和品质因数 Q 的表达式； (2) 根据微环传感器的工作原理，将总灵敏度分为波导灵敏度和器件灵敏度， 着重 分析器件灵敏度与传输因子 s、自耦合因子 t、以及工作波长 ? 的关系，并结合上述参 数与其他结构参数的关系，提出具体的设计和优化方案； (3) 利用高斯函数对原洛伦兹响应谱的近似，得到器件品质因数 Q 与器件灵敏度 的关系，从而推出基于品质因数和系统信噪比(SNR)求得探测极限的理论方法，该法对 以监测强度变化为工作原理的微环传感器普遍适用； (4) 推出在具有相位噪声
3、的非理想光源激励下的器件响应总谱， 进而得出具有不同 线宽的激光光源对微环性能影响的关系式。 关键词：生物传感器 微环谐振腔 灵敏度分析 探测极限 II Abstract Due to the compatibility with standard CMOS platform, planar microring resonator with high quality factor can be fabricated at low cost. Based on planar waveguides, it not only allows surface chemical modifications
4、, but can also be integrated with other optoelectronic devices and microfluidic handling, leading to highly integrated and intelligent sensing chips. Furthermore, it offers a unique advantage of reducing the device size without sacrificing the sensitivity by virtue of the resonance. Therefore, micor
5、ing resonator biosensor is highly sensitive that can detect minute amount of analytes. Supported by the National Science Foundation of China, the theoretical model and sensitivity are systematically studied in this thesis. The main contents are listed as follows: (1) The coupling property of the ben
6、t- straight coupler is thoroughly investigated, based on coupled mode theory and FDTD method. Theoretical method is established, from which expressions of key parameters such as FSR and Q factor are derived. (2) The overall sensitivity of the device is divided into two contributions: waveguide sensi
7、tivity and device sensitivity. The relations of device sensitivity and transmission coefficient s, self coupling coefficient t, and operating wavelength ? are studied, based on which a design and optimization guideline is summarized. (3) By approximating the original Lorentzian lineshape with a Gaus
8、sian function, an explicit relation between the quality factor and the device sensitivity is studied. The detection limit is thereafter derived through the quality factor and signal- to- noise ratio (SNR), which is in good agreement with experimental results and universal for microring resonator sen
9、sors based on intensity variation. (4) The overall response is derived, with the phase noise of laser source taken into account. The influence of laser linewidth on the overall performance is studied. Keywords: biosensor microring resonator sensitivity analysis detection limit 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人
10、在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密
11、， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 引言 生物传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，它用于测定特定的化学 或生物物质。由于在环境监测、生物防范、食品控制、疾病监控以及药物研发中具有 非常广泛的应用前景，目前对生物传感器的研究已经显得非常重要。根据 2004 年的报 告1，2003 年全球生物传感器的市场总值为 73 亿美元，并且预计到 2007 年该数值将 达 108 亿美元，增长率为 10.4%。该数字包括了每年在研发上的投入。 根据所用换能
12、器的不同，生物传感器主要可分为以下几类：电化学生物传感器、 光生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器以及声波生物传感器。与其他类型 的传感器相比，光生物传感器具有两个主要的特点：(1) 光学器件检测光的灵敏度高； (2) 光信号的传播不受外界电磁场的干扰， 噪声低。 因此光生物传感器具有很好的性能， 越来越受人关注。 在各种光生物传感器中，基于平面波导的生物传感器发展十分迅速。它们具有如 下优点：(1) 利于与电子和光子模块集成为智能探测系统；(2) 制作工艺与现有的微电 子制造平台相兼容，成本低；(3) 容易对平面波导进行表面处理，增加化学、生物特异 性；(4) 尺寸小，能够和微流控芯片
13、集成，有利于对微量样本的探测。目前典型的光生 物传感器主要可分为荧光标记型和无标记型两大类，其中前者虽然已被用于探测和辨 别特定的生物化学分子和生化反应2，但却有设备庞大、操作复杂、耗时间长的缺点， 且一般需要专人操作。另外，用于标记的荧光分子还有可能影响样本的探测3。相比而 言，后者的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不再引入 新的干扰，结果也更加可靠。 基于平面波导结构的光生物传感器大多采用倏逝场探测原理，信号光通过其倏逝 波探测样本所发生的变化。待分析样本处所发生的变化会引起光波传输性质的改变， 进而完成了将化学(或生物)信号转换为光信号的过程。 目前已用于传感的平
14、面波导结构 有表面等离子体共振4- 7、马赫泽德干涉计8- 9、光栅10、以及法布里- 伯罗腔11。其中， 2 非谐振型平面波导传感器(如马赫泽德干涉计)具有的共同缺点是需要一定长度的探测 区域来积累足够大的相位变化以便测量，如此在探测时就需要一定量的生物样本数。 在这一点，基于谐振腔结构的生物传感器具有无可比拟的优势。由于谐振效应的引入， 虽然该类传感器的实际尺寸很小，但由于光信号能够在腔内不断谐振、放大，因此等 效之后的探测长度足以引起相位(或强度)等信息变化到可探测的量值12。 目前已用于生物传感的谐振腔结构有微球13(microsphere)、微盘14,15(microdisk)、 微
15、超环体16(microtoroid)以及微环结构(microring)17。由于具有很好的表面平整度，微 球与微超环体结构具有非常高的品质因数，因此它们的灵敏度很好，但目前的缺点是 制作时均需要用激光加热波导材料到熔融状态以增加表面平整度，故加工时随机性较 大、重复性不好，并且与其它器件耦合集成不方便。与之相比，微盘传感器的制作相 对简单，重复性好，但同微球一样，光波在其中传输时的模均为回音壁模式 (whispering- gallery mode)，而非单模传播，因而用于传感时不同模式间的串扰比较大。 同上述三种谐振腔相比，微环结构可以通过控制环波导宽度使得器件完全工作于单模 状态，消除串扰
16、，减少噪声。但同时，微环谐振腔的缺点是品质因数 Q 不如上述三种 谐振腔大，因而灵敏度没有基于上述三种结构的传感器高。 1.2 微环谐振腔发展简述 微环谐振腔结构最早由 M a r c a t i l i在 1 9 6 9年提出18, 与其他波导结构相比，它特 有的环型结构使得满足其谐振条件的光能在环内循环振荡，故具有波长选择的功能. 然 而，由于弯曲部分的波导会导致额外的弯曲损耗，导致该结构在理论研究阶段停留了 很长时间。1 9 9 4 年，一个直径为 3 . 5 毫米的环型谐振腔被制作出来，并用作光纤通信 系统中的滤波器19。然而，由于该器件直径过大，导致该谐振腔的自由光谱范围仅为 1 0 0 G H z , 也不能很好地满足于实际通信系统的要求。在此之后, 随着微电子工艺技术地 不断进步以及大折射率差材料体系的应用，波导环腔的尺寸很快降到了微米量级20。 1 9 9 7年第一次报道了以 G a A s材料制作的直径为 1 0微米的环腔, 它的自由光谱范围
