一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器

本发明涉及光波导传感芯片领域和片上实验室领域，具体讲，涉及一种具有超高灵敏度和超低检测极限的法诺微环光波导生物传感器及其微流控封装方法。

背景技术：

1、近年来，基于回音壁模式(whispering gallerymodes,wgm)的微环谐振腔传感器取得了显著进展，具备高品质因数(q)和灵敏度，尤其在检测痕量物质方面。wgm传感机制通常分为色散型和耗散型，前者通过测量谐振波长偏移监测目标，而后者通过测量线宽变化获取目标参数。基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator,soi)的平面波导回路具有体积小、cmos工艺兼容等优势，近年来基于soi平台的微环谐振器(microring resonator,mrr)传感器推动了高灵敏度和超低检测极限(limit ofdetection,lod)的传感器应用。

2、微环传感器能够实现高q值和精细的光谱分辨率，但受制于光场与传感介质相互作用较弱，难以实现超高的折射率灵敏度。相较微环传感器，马赫曾德干涉仪传感器(mach-zehnder interferometer,mzi)可以通过设计非对称结构轻易实现超高灵敏度，但其通常需要外接高分辨率的光谱解调设备来确定干涉波长点的确切位置，其自身线宽通常在数十纳米量级，难以实现低检测极限。为提高片上传感器的性能，研究人员提出了级联结构、亚波长光栅结构等改进设计，但往往只能实现提高灵敏度或降低检测极限其中之一，无法获得两全其美的设计结果。

3、在微纳光子学领域，光波导生物传感器是一种重要的特异性生物检测工具。(feedback-coupledmicroring resonator，fbcmr)是一种引入法诺共振效应的器件，通过反馈波导构造了微环谐振腔与自身的耦合，从而在结构上结合了mzi和mrr。近年来在传感器、调制器、滤波器、光开关等领域得到广泛应用。

技术实现思路

1、现有的光波导传感器在灵敏度和检测极限方面存在一定的局限性，本发明提出了一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，通过在fbcmr中引入非对称mzi的设计方式，我们获得了超高灵敏度以及超低检测极限的传感器并辅以微流控封装，旨在克服现有技术的限制和缺陷，提高光波导传感器的灵敏度和检测性能。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，包括微流基台、微流通道层、透明盖板组成的微流封装结构以及法诺微环光波导生物传感芯片。

4、光波导传感芯片与微流通道层之间紧密贴合，使微流体能通过微流通道流经传感元件，光波导传感芯片和微流通道层贴合后的整体夹持在所述的微流基台和透明盖板之间，从而实现稳固的微流封装。

5、进一步的，光波导传感芯片与微流通道层之间通过可逆键合或不可逆键合的方式紧密贴合。

6、进一步的，微流基台上设置有多个螺纹孔，微流基台与透明盖板通过螺纹连接形成固定，微流基台中心区域铺设柔性基底，防止芯片受压碎裂。

7、进一步的，微流通道层上设置有使用微流通道，包括一对或多对进样/出样通孔、进样/出样流道、功能流道。所述进样/出样流道与所述进样/出样通孔连接，所述进样/出样流道与功能流道连接，所述功能流道能实现一种或多种微流控功能，功能流道的具体功能类型和数量可根据实际需求进行设计。

8、在一实施例中，微流通道层所使用材料为柔性透明pdms，微流通道层上的微流通道使用su 8模具浇注而成。

9、进一步的，透明盖板上设置有多个通孔，其投影位置分别对应微流基台上的螺纹孔以及微流通道层上的进样、出样通孔。

10、进一步的，法诺微环光波导传感芯片包括传感元件和其他波导元件；所述传感元件的主体为一种具有超高灵敏度和超低检测极限的法诺微环传感器，所述法诺微环传感器设置于功能流道投影正下方；所述法诺微环传感器包括输入连接波导、第一微环耦合区、第二微环耦合区、第三微环耦合区、微环波导、反馈波导、through端输出波导和drop端输出波导；其中微环波导与反馈波导波导宽度设置为不同，使得法诺微环传感器具备不等臂mzi的特性，即能够依据不等臂mzi的设计原理获得超高灵敏度。所述其他波导元件包括耦合光栅、片上激光器和连接波导等。

11、进一步的，输入连接波导为锥形波导，用于法诺微环传感器与前端片上输入器件的连接，即光信号从add端输入。所述的through端输出波导为半径极小(<<5um)的螺旋线形状，用于消除杂散光的影响。drop端输出波导包含一个弯曲波导和一段锥形波导，使传感器主体与后端片上输出器件相连接。输入连接波导与through端输出波导通过反馈波导直接相连。微环波导与add端输入波导、through端输出波导、drop端输出波导物理上并不直接相连，而是分别通过第一微环耦合区、第二微环耦合区和第三微环耦合区实现光场的耦合传输。

12、进一步的，第一微环耦合区、第二微环耦合区和第三微环耦合区的耦合系数根据实际情况设定。

13、进一步的，一种具有超高灵敏度和超低检测极限的法诺微环传感器的工作过程：

14、输入连接波导通过反馈波导与through端输出波导直接相连，通过through端输出波导消除杂散光的影响。从输入连接波导输入的光场经过所述第一微环耦合区后分别耦合进入微环波导以及反馈波导，反馈波导中的光场经过所述第二微环耦合区后部分能量耦合回微环波导，从而形成法诺共振。微环波导中的光场经过第三微环耦合区后通过drop端输出波导输出。

15、本发明的光波导生物传感器在微纳光子学领域具有重要的应用价值，可用于生物分子的检测、生物传感、医学诊断等领域，具有广阔的市场前景和应用潜力。

16、通过本发明，可以实现光波导生物传感器的高灵敏度、低检测极限，为生物传感技术的发展和应用提供了新的解决方案和可能性。

17、本发明的有益效果如下：

18、本发明通过反馈波导将微环的through端和add端相连接形成法诺共振，从而获得高消光比并降低了传感器的检测极限。

19、本发明采用非对称mzi的设计方式，将微环波导宽度和反馈波导宽度设计为不相等，从而具有不同的模式有效折射率，使得传感灵敏度极大增加。

20、本发明可以用平面集成光波导工艺制作，只需要一次刻蚀完成，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，体积小，稳定性好具有很大的生产化潜力。

21、本发明采用牢固可靠的微流封装方式，通过微流通道将待测样品输送到敏感元件正上方，使得样品用量少、相应速度快，并可实现多通道独立检测。

22、综合来说，本发明在各种材料平台(如：绝缘体上硅，氮化硅，聚合物平台)上都可以进行加工制造，并且易于加工，结构简单、体积小，消光比大，传感灵敏度高，检测极限低，样品用量少，响应速度快的光波导传感器。根据表面功能化材料的不同，可以实现不同生化分子的特异性检测。

技术特征：

1.一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，包括微流基台(a)、微流通道层(b)、透明盖板(c)组成的微流封装结构以及法诺微环光波导生物传感芯片(d)；

2.根据权利要求1所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，光波导传感芯片(d)与微流通道层(b)之间通过可逆键合或不可逆键合的方式紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，微流基台(a)上设置有多个螺纹孔，微流基台(a)与透明盖板(c)通过螺纹连接形成固定，微流基台(a)中心区域铺设柔性基底，防止芯片受压碎裂。

4.根据权利要求1所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，微流通道层(b)上设置有使用微流通道，包括一对或多对进样/出样通孔(1)、进样/出样流道(2)、功能流道(3)；所述进样/出样流道(2)与所述进样/出样通孔(1)连接，所述进样/出样流道(2)与功能流道(3)连接，所述功能流道(3)能实现一种或多种微流控功能，功能流道(3)的具体功能类型和数量可根据实际需求进行设计。

5.根据权利要求4所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，微流通道层(b)所使用材料为柔性透明pdms，微流通道层(b)上的微流通道使用su 8模具浇注而成。

6.根据权利要求4所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，透明盖板(c)上设置有多个通孔，其投影位置分别对应微流基台(a)上的螺纹孔以及微流通道层(b)上的进样、出样通孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，法诺微环光波导传感芯片包括传感元件和其他波导元件；所述传感元件的主体为一种具有超高灵敏度和超低检测极限的法诺微环传感器，所述法诺微环传感器设置于功能流道(3)投影正下方；所述法诺微环传感器包括输入连接波导(n01)、第一微环耦合区(n02)、第二微环耦合区(n03)、第三微环耦合区(n04)、微环波导(n05)、反馈波导(n06)、through端输出波导(n07)和drop端输出波导(n08)；其中微环波导(n05)与反馈波导(n06)波导宽度设置为不同，使得法诺微环传感器具备不等臂mzi的特性，即能够依据不等臂mzi的设计原理获得超高灵敏度。

8.根据权利要求7所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，输入连接波导(n01)为锥形波导，用于法诺微环传感器与前端片上输入器件的连接，即光信号从add端输入；所述的through端输出波导(n07)为半径极小的螺旋线形状，用于消除杂散光的影响；drop端输出波导(n08)包含一个弯曲波导和一段锥形波导，使传感器主体与后端片上输出器件相连接；输入连接波导(n01)与through端输出波导(n07)通过反馈波导(n06)直接相连；微环波导(n05)与add端输入波导(n01)、through端输出波导(n07)、drop端输出波导(n08)物理上并不直接相连，而是分别通过第一微环耦合区(n02)、第二微环耦合区(n03)和第三微环耦合区(n04)实现光场的耦合传输。

9.根据权利要求8所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，第一微环耦合区(n02)、第二微环耦合区(n03)和第三微环耦合区(n04)的耦合系数根据实际情况设定。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，其特征在于，一种具有超高灵敏度和超低检测极限的法诺微环传感器的工作过程：

技术总结本发明公开了一种基于反馈式微环谐振器的法诺微环光波导生物传感器，包括微流基台、微流通道层、透明盖板组成的微流封装结构以及法诺微环光波导生物传感芯片。本发明通过法诺微环光波导生物传感芯片中的反馈波导将微环的through端和add端相连接形成法诺共振，从而获得高消光比并降低了传感器的检测极限。本发明采用非对称MZI的设计方式，将法诺微环光波导生物传感芯片中的微环波导宽度和反馈波导宽度设计为不相等，从而具有不同的模式有效折射率，使得传感灵敏度极大增加。本发明可以用平面集成光波导工艺制作，只需要一次刻蚀完成，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，体积小，稳定性好具有很大的生产化潜力。技术研发人员：时尧成,陈智拓,张龙受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2