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信件

大量程热光调谐级联双环传感器

1
长春科技大学光电工程学院光学工程系,长春130022
2
浙江大学光学科学与工程学院集成光电子中心现代光学仪器国家重点实验室,杭州310027
南方科技大学电气与电子工程系,深圳518055
*
信件应寄给的作者。
传感器 2020,20(18), 5149;https://doi.org/10.3390/s20185149
收到的提交文件:2020年7月30日/修订日期:2020年9月8日/接受日期:2020年9月8日/发布日期:2020年9月9日
(本文属于特刊光学和光子传感器)

摘要

:
本文研究了一种基于级联双微环谐振器的热光调谐光波导传感器系统。该系统由一个以微加热器为参考环的微环谐振器和一个以去除上包层为传感环的微环谐振器组成,并与微流体控制相结合。样品的折射率变化是通过微加热器的功率变化来测量的。实验结果表明,热光调谐的灵敏度为34.231W/RIU(折射率单位),测量范围为4.325×10−3RIU,几乎是级联双微环谐振器的8倍大,没有用于强度询问的热光调谐。

1.简介

集成光学传感器器件在微环谐振器中得到了广泛应用[1,2],光子晶体(PhC)[]和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)[4]由于其高度集成化和小型化。PhC传感器的带隙由周期性电介质结构形成[]. 然而,需要高精度的光刻工艺来制作器件的特征图案,这对商业化非常不利。基于MZI结构传感器,在强度询问中需要高灵敏度的功率传感器和稳定的系统,以实现高灵敏度和低噪声水平[4]. 由绝缘体上的硅(SOI)材料制成的微环谐振器因其高Q值和高灵敏度而广泛应用于生物传感。SOI具有非常高的折射率对比度,允许我们以几微米的半径非常紧密地弯曲波导。由于硅波导表面的消逝场很高,SOI传感器的灵敏度很高[5,6]. SOI传感器的制造工艺与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这意味着SOI传感器可以做成一个用于不同功能的大阵列,不仅可以检测不同类型的生物分子[7,8,9,10]但是,也可以使用一些传感器作为参考来监测温度变化[11,12].
最近,一种新型的电跟踪辅助双环光学传感器被报道[13]. 双微环传感器包括传感环和带有电气控制器的参考环。通过调节热加热器,将谐振波长的偏移转化为电功率的变化。两个微环的半径均设计为10μm,传感系统的灵敏度为15 mW/RIU(折射率单位),基于横向电(TE)偏振光。这种传感系统可以提供3.9×10的低检测限−6折射率单位(RIU)和已用于生物检测。对于级联双微环谐振器的强度询问,使用低成本宽带光源和光功率计,而不测量光谱[14,15,16]. 然而,强度询问的测量范围受到输出功率与分析物折射变化的线性区域的限制,检测极限受到功率计灵敏度的限制,该灵敏度比波长询问低一个数量级。另一种强度传感方案使用基于脊波导的级联微环配置,并使用峰值跟踪方法跟踪最大光谱位置[17,18]. 该方案被证明可以获得具有相同微环半径的探测微环的整个自由光谱范围。该传感器方案的一个显著缺点是,该器件的检测极限受到强度峰值宽度的影响,并提供4.6×10的低检测极限(LOD)−5RIU公司。我们通过设置不同半径的微环来解决检测极限问题,以产生游标效果来改进。选择波导作为横向磁(TM)模式的平板波导,有效地提高了传感器的灵敏度。
为了实现低成本、大测量范围和高灵敏度的片上传感器,本文提出了一种热光调谐级联双环(TTCDR)传感器,在参考环上安装一个微加热器,用于将输出强度变化转换为电功率变化。这两个微环设计成具有不同的半径,以产生游标效应,从而提高灵敏度。对于TTCDR传感器的某一输出强度,绘制了不同浓度NaCl溶液的功率曲线。对于TM模式,传感器的灵敏度为34.231 W/RIU。利用热光效应,测量范围几乎是传统级联双环传感器的8倍,而无需使用微加热器进行强度询问。

2.工作装置及原理

强度询问和波长询问是级联微环谐振器传感器的两种典型传感方法[14,15,16,17,18,19,20]. 强度查询是无光谱仪的,需要低成本的宽带光源和功率计。样品的折射率变化可以通过传感器的输出强度的变化来检测。
TTCDR传感器的示意图如所示图1。如所示图1传感器由两个主要部件组成:一个无上包层的传感环和一个带微加热器的参考环。参考环上有一个氮化钛(TiN)微加热器,用于热光调谐。我们采用低成本宽带光源作为光源(Conquer,OS-ASE-M2-C-0-100-0-S-FA)。此来源由中国北京征服光学技术有限公司提供。该光源具有高输出功率、谱线宽度、低偏振度、高功率稳定性和良好的平均稳定性等优点,能够满足传感和测试用宽带光源(BLS)的严格性能要求。
BLS与中的衰减器和可调通带滤波器(TPBF)相连图1然后,光线通过光栅耦合器耦合到传感器芯片的输入和输出。输入(端口1)和输出(端口2和端口3)共享同一光纤阵列,便于重复使用。最后,通过功率计(安捷伦81634A)收集输出功率。电流源(基思利2400)由微型加热器的PC控制,并通过探针连接到传感器。传感器的输出通过和下降分别由探测器1和探测器2接收,最后,计算机接收数据。加窗传感环通过微流控通道与被测物质直接接触,感知折射率的变化,实现传感。
级联双环谐振器传输包络函数中的峰值波长偏移被游标效应因子放大。自由光谱范围(可行性研究报告)输出变速器的可行性研究报告输出表示为[15]:
如果 S公司 R(右) o个 u个 t吨 第页 u个 t吨 = 如果 S公司 R(右) e(电子) n个 × 如果 S公司 R(右) 第页 e(电子) (f) | 如果 S公司 R(右) e(电子) n个 负极 如果 S公司 R(右) 第页 e(电子) (f) |
哪里如果是游标效应放大系数,如果 = 如果 S公司 R(右) 第页 e(电子) (f) | 如果 S公司 R(右) e(电子) n个 负极 如果 S公司 R(右) 第页 e(电子) (f) | 、和可行性研究报告传感器 如果 S公司 R(右) 第页 e(电子) (f) 可行性研究报告参考环和感测环。
TTCDR传感系统的工作原理如所示图2.当分析物的折射率Δ变化时编号:,TTCDR传感器的输出强度变化Δ级联双微环传感器(CMRR)的灵敏度定义为S公司共模抑制比= Δ我/Δn个.英寸图1,为了获得高灵敏度,TPBF的带宽等于可行性研究报告级联双环传输包络。BLS的光谱为(λ)、和λ是波长。输出强度外面的TTCDR传感器的[15]:
o个 u个 t吨 = 0 [ n个 ( λ ) T型 第页 e(电子) (f) × T型 e(电子) n个 ] d日 λ
哪里 T型 第页 e(电子) (f) T型 e(电子) n个 分别是参考环和感测环端口的透射光谱。
热光调谐原理如所示图2.当折射率变化Δ时n个,传输光谱从黑线移到蓝线,如所示图2c.输出光谱(图2d) 是的蓝线透射光谱的乘积图2c和宽带光源光谱(红线)。输出频谱从图2b到图2d当分析物的折射率Δ变化时n个.当微加热器由电源Δ供电时电子,Δ的透射谱n个折射率的变化在图2e、 并且传输包络可以返回到图2b、 如所示图2f.TTCDR传感器的灵敏度可以表示为S公司= Δ电子n个.
当分析物的折射率改变时,扫描微加热器的功率,直到Δ外面的电子等于初始值和Δ外面的= 0. 因此,通过测量,微加热器的功率变化Δ电子可以检测样品折射率Δ的变化n个.

3.实验和结果

3.1. TTCDR芯片的制备与表征

晶圆制备和技术助理由中国科学院微电子研究所集成电路高级工艺中心(ICAC)提供。制造开始于在SOI晶片上旋涂一层光致抗蚀剂薄膜。波导、光栅耦合器和微环由步进器制作,然后生长2-μm SiO2上包层,通过光刻打开传感窗口。最后,用溅射法对电阻加热金属TiN和导电电极Al层进行了镀膜。微环芯片是在一个硅绝缘平台上制作的,该平台上有一个220nm厚的硅顶层和一个2μm厚的埋置氧化层。SOI微环传感器基于倏逝场。与TM模式相比,用于传感的TE模式具有低一个数量级的灵敏度,这是由于与样品溶液的模式场重叠较小[21]. 对于TM模式,硅条波导的设计宽度为550nm。
整个芯片被SiO覆盖2上部包层,但通过移除传感窗口中的上部包层使传感环暴露在试剂样品中。传感器芯片的光学显微镜图像如所示图3a、 整个芯片的尺寸为2cm×2cm。传感环和总线波导与环之间的定向耦合器的扫描电子显微镜(SEM)图像如所示图3b、 c)。TTCDR传感系统的图像由微流体通道、传感器芯片、微加热器探头和光纤阵列组成,如所示图4a.输入图4b是TiN微加热器的SEM图像。

3.2. 热光调谐强度查询

为了产生游标效应,参考环和传感环的半径分别为123μm和121μm。滴口的光学透射光谱在图5折射率为 1.8 × 10 负极 RIU(1.0%氯化钠溶液,黑色)和 2.7 × 10 负极 RIU(1.5%氯化钠溶液,蓝色)。NaCl溶液的折射率随 1.8 × 10 负极 每1%变化浓度[22]. NaCl浓度及其折射率列于表1.中的红色曲线图5显示了通过TPBF的输入BLS的频谱。这个可行性研究报告输出透射曲线包络为11.92nm。为了获得最高的灵敏度,TPBF选择了3-dB带宽为~6 nm、中心波长为1543.81 nm的输入BLS。透射光谱包络的峰值随着NaCl浓度的增加而发生蓝移,其折射率从 1.8 × 10 负极 RIU(1.0%)至 2.7 × 10 负极 RIU(1.5%)。
为了消除BLS波动的影响,通过端口2的输出功率对下降端口3的输出强度进行归一化。归一化输出功率随微加热器的功率周期性变化,如所示图6a、 折射率为 1.8 × 10 负极 RIU(1.0%氯化钠溶液)。当NaCl溶液的浓度及其折射率从 1.8 × 10 负极 RIU(1.0%)至 7.2 × 10 负极 RIU(4.0%),在NaCl溶液浓度的每次折射率变化时测量传感器的响应四次,如所示图6b,而没有微加热器的电力。归一化输出功率随着NaCl溶液浓度的增加而降低,这与NaCl的折射率有关。输出光强随NaCl溶液浓度的不同而周期性变化。图6b、 实验结果表明,TTCDR传感器的测量范围为2=4.325×10−3RIU几乎是传统级联双环传感器的8倍,量程1=0.54×10−3用于强度询问的RIU。范围1由Δ决定n个,范围2由Δ确定n个和Δ= 0. 在强度询问中,通过强度变化斜率(Δn个) [14],强度检测范围需要在功率曲线的线性区域内(图6b) 在传感实验中获得高灵敏度。热调谐可以解决功率曲线的非线性区域问题,检测范围可以覆盖功率曲线的总范围,并且曲线上的每个点都是线性的。
初始点的选择在实验中非常重要。我们将起点设置为功率曲线的最大斜率,而不是参考的峰值强度[17,18]. 由于功率曲线的斜率在峰值强度时等于零,因此很难准确地找到峰值位置。这使得峰值的不确定性相对较大,并影响传感器的检测极限。图6b、 Δn个初始点的m不等于0。通过保持输出功率曲线和输出功率的斜率不变,可以将由于不同浓度溶液的变化而引起的传输曲线的偏移转换为加热器的功率变化,如所示图7.
热光调谐级联微环的灵敏度为34.231 W/RIU,如所示图7相应地,根据标准偏差计算传感器折射率测量的检测限(LOD)σ=0.105 mW除以灵敏度S:LOD=3σ/S=9.202×10−6RIU公司。标准偏差σ响应测量值为1.5%至1.0%。利用热光调谐技术可以改进传统级联双环传感器的强度询问方法。无论初始工作点位于何处,微加热器的功率都与氯化钠溶液的折射率变化呈线性关系。
基于SOI波导的微环谐振传感器具有较高的折射率对比度。大部分电场分布在波导的包层中。由于与分析物的模式场有很小的重叠,用于传感的TE模式具有低灵敏度。TM模电场分布在波导表面,强大的表面电场可以使传感物质对波导的有效折射率有更大的影响,并且更容易实现高灵敏度[21]. 传感器由肋波导材料制成[18],电场主要分布在核心层内部,传感器的灵敏度相对较低:S=3σ第页/LOD=3.021 W/RIU(σ第页= 4.638 × 10−5mW和LOD=4.606×10−5RIU)。在我们的TTCDR传感系统中,级联环形谐振器由平板波导构成。这两个微环设计成具有不同的半径,以产生游标效应,从而提高灵敏度。实验表明,TM模式的高灵敏度为S=34.231 W/RIU。LOD也得到了改善:LOD=9.202×10−6RIU公司。保持Δ外面的电子外面的由于常数是电功率变化的确定条件,因此不采用强度峰值跟踪法来降低传感器的不确定度。此外,使用高分辨率电流源还可以提高微环谐振器的检测极限和灵敏度。

4.结论

采用CMOS工艺制作了一种基于SOI衬底的光学TTCDR传感系统。TTCDR传感系统包括BLS、衰减器、TPBF、功率计和集成有光栅耦合器、参考环、微加热器和传感环的传感芯片。可以通过微加热器的电功率变化测量分析物,而无需进行光谱测量以降低成本。实验结果表明,该方法的灵敏度为34.231W/RIU,检测限为9.202×10−6RIU,测量范围为4.325×10−3RIU公司。TTCDR传感系统在生物传感应用方面具有巨大潜力。

作者贡献

Z.Y.、L.S.、Y.W.和C.S.为检测这个想法、进行实验和分析实验结果做出了贡献。J.-J.H.和M.L.是项目主管。所有作者都已阅读并同意手稿的出版版本。

基金

本研究得到了国家自然科学基金项目(No.61535010)和浙江省自然科学基金(No.LY16F050001)的资助。

致谢

作者感谢中国科学院微电子研究所集成电路先进处理中心(ICAC)的晶圆制备和技术助理。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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图1。总感应系统的示意图。BLS:宽带光源。TPBF:可调通带滤波器。PC:个人电脑。
图1。总感应系统的示意图。BLS:宽带光源。可调谐带通滤波器。PC:个人电脑。
传感器20 05149 g001
图2。热光调谐级联双环(TTCDR)传感器的工作原理。()是没有折射率变化的宽带光源(红色虚线)的透射光谱和光谱,以及(b条)输出频谱是BLS频谱和传输频谱的乘积。(c(c))当折射率改变Δn时,透射光谱从虚线黑线移到实线蓝线。(d日)输出频谱。(e(电子))当微加热器由电源Δ供电时电子,透射光谱从蓝色虚线移到黑色实线。((f))是电力Δ的输出频谱电子更改。
图2。热光调谐级联双环(TTCDR)传感器的工作原理。()是没有折射率变化的宽带光源的透射光谱和光谱(红色虚线),以及(b条)输出频谱是BLS频谱和传输频谱的乘积。(c(c))当折射率改变Δn时,透射光谱从虚线黑线移到实线蓝线。(d日)输出频谱。(e(电子))当微加热器由电源Δ供电时电子,透射光谱从蓝色虚线移到黑色实线。((f))是电力Δ的输出频谱电子更改。
传感器20 05149 g002
图3。()传感器芯片的光学显微镜图像。(b条)传感环的SEM图像(c(c))定向耦合器的SEM图像。
图3。()传感器芯片的光学显微镜图像。(b条)传感环的SEM图像(c(c))定向耦合器的SEM图像。
传感器20 05149 g003
图4。()微流量控制系统图。(b条)氮化钛微加热器的SEM图像。
图4。()微流量控制系统图。(b条)氮化钛微加热器的SEM图像。
传感器20 05149 g004
图5。折射率为 1.8 × 10 负极 折射率单位(RIU)(1.0%NaCl溶液),2.7×10−3RIU(1.5%NaCl溶液),以及通过TPBF输入BLS的光谱。
图5。折射率为 1.8 × 10 负极 折射率单位(RIU)(1.0%NaCl溶液),2.7×10−3RIU(1.5%NaCl溶液),以及通过TPBF输入BLS的光谱。
传感器20 05149 g005
图6。()在RIU(1.0%NaCl溶液)的折射率下,归一化输出功率的拟合曲线随功率的变化而变化。(b条)测量了不同浓度NaCl溶液的归一化输出功率与折射率变化的关系,并基于0-mW功率拟合了曲线。
图6。()在RIU(1.0%NaCl溶液)的折射率下,归一化输出功率的拟合曲线随功率的变化而变化。(b条)测量了不同浓度NaCl溶液的归一化输出功率与折射率变化的关系,并基于0-mW功率拟合了曲线。
传感器20 05149 g006
图7。电功率随不同NaCl溶液浓度折射率变化的拟合曲线。
图7。电功率随不同NaCl溶液浓度折射率变化的拟合曲线。
传感器20 05149 g007
表1。NaCl浓度及其折射率[22].
表1。NaCl浓度及其折射率[22].
氯化钠溶液的浓度折射率单位
1.0%1.8 × 10 负极 RIU公司
1.1%1.98 × 10 负极 RIU公司
1.2%2.16 × 10 负极 RIU公司
1.3%2.34 × 10 负极 RIU公司
1.4%2.52 × 10 负极 RIU公司
1.5%2.7 × 10 负极 RIU公司
2.0%3.6 × 10 负极 RIU公司
3.0%5.4 × 10 负极 RIU公司
4.0%7.2 × 10 负极 RIU公司

分享和引用

MDPI和ACS样式

杨,Z。;Wang,Y。;苏,C。;邵,L。;他,J.-J。;李,M。大量程热光调谐级联双环传感器。传感器 2020,20, 5149.https://doi.org/10.3390/s20185149

AMA风格

杨Z,王毅,苏C,邵L,何J-J,李明。大量程热光调谐级联双环传感器。传感器. 2020; 20(18):5149.https://doi.org/10.3390/s20185149

芝加哥/图拉宾风格

杨志平、王燕璐、常苏、邵立阳、何建军和李明宇。2020年,“大测量范围的热光调谐级联双环传感器”传感器20,18号:5149。https://doi.org/10.3390/s20185149

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