基于硅基槽波导的无标记集成型生物/化学传感器研究

摘要

随着硅基集成光子学的快速发展，它在生物/化学传感领域的应用成为了人们研究热点。其中无标记集成光学生物/化学传感器主要应用于环境监测、生物技术、医疗诊断、药物筛选和食品安全等领域，具有灵敏度高、成本低、结构紧凑和易集成等优点。鉴于硅基槽波导具有独特的限光特性，本文主要对基于槽波导的微环型和多模干涉型的两种新型传感器的理论设计、传感特性和性能参数等方面做了系统的分析和研究。
　　本文首先介绍集成光学生物/化学传感技术的发展、分类和应用；接着对硅基槽波导进行了理论研究和模式特性的模拟分析，发现其独特的限光、温度无关等性质适用于传感技术领域；在此基础上，提出并设计了基于硅基槽波导的微环谐振型和多模干涉型传感器件结构，并且重点对两种结构进行了理论研究和传感性能的模拟分析。研究结果表明，槽波导因为场的非连续性，对于准TE模，30％左右的光会限制在低折射率的槽区域；对于基于槽波导的单微环传感器，改变槽波导的结构参数(增大槽的宽度wS或者减小硅芯层宽度wH)，都会使槽内限制更多的光强，可提高传感器的探测灵敏度，本文设计结构可得到灵敏度为799nm/RIU；通过将探测极限和品质因子Q值相关联的方法，可使得探测极限的测量更加简化、准确；通过研究基于槽波导的多模干涉型传感器，结果矩形多模干涉器件具有非常良好的传感特性，分辨率达到了10-4RIU，并且在一定条件下沟槽的条数越多，得到的传感信号检测图更为准确和清晰，而锥形结构的传感器件不仅具有同样的传感性能，而且自镜像长度大大缩小，使得制作出的器件更具紧凑性。
　　最后总结了全文并且给出了下一阶段的研究建议。