目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发光效率的提高,其中量子效率为5.9×10 -5,光电转换效率为4.3×10 -6。

The polymer waveguide optical biosensor based on the Mach-Zehnder interferometer (MZI) by using spectral splitting effect is investigated. The MZI based biosensor has two unequal width sensing arms. With the different mode dispersion responses of the two-arm waveguides to the cladding refractive index change, the spectral splitting effect of the output interference spectrum is obtained, inducing a very high sensitivity. The influence of the different mode dispersions between the two-arm waveguides on the spectral splitting characteristic is analyzed. By choosing different lengths of the two unequal width sensing arms, the initial dip wavelength of the interference spectrum and the spectral splitting range can be controlled flexibly. The polymer waveguide optical biosensor is designed, and its sensing property is analyzed. The results show that the sensitivity of the polymer waveguide optical biosensor by using spectral splitting effect is as high as 104 nm/RIU, with an improvement of 2–3 orders of magnitude compared with the slot waveguide based microring biosensor.

Slot结构在提高集成波导光学传感器灵敏度和降低探测极限值方面具有极大的优势。对基于Slot结构的聚合物PSQ-Ls 波导微环光学生物传感器进行了研究。分析了850 nm 波段Slot波导的单波导高度、狭缝宽度及单波导宽度对传感器灵敏度的影响，在满足单模传输的条件下，得到了优化的微环传感器横截面尺寸参数。对Slot结构波导微环的弯曲损耗、自由光谱范围等进行了仿真分析，得到微环传感器的消光比、品质因子等随结构参数的变化，确定了优化的微环弯曲半径、耦合效率。与正脊形结构波导微环传感器相比，Slot结构波导微环传感器的灵敏度是前者的两倍，探测极限值是其一半。

温度敏感性是影响波导微环光学生化传感器性能的重要因素。从微环谐振方程出发分析了微环传感器温度敏感性产生的机理，研究了以SU8-NOA61-SU8 三明治结构聚合物衬底代替传统硅衬底，利用衬底的热膨胀效应抵消波导的热光效应，来消除聚合物波导微环光学生化传感器的温度敏感性。采用ANSYS软件对三明治衬底的厚度进行了仿真设计，得到了温度不敏感条件下的衬底厚度参数。对SU8 和NOA61 旋涂成膜工艺进行了实验研究，得到SU8和NOA61的膜厚控制精度分别为0.07 μm@20 r/min 和0.34 μm@20 r/min。分析得到三明治聚合物衬底波导微环传感器的温度敏感性和探测极限值，达到了带有温控装置的硅衬底聚合物波导微环传感器的性能。

为了进一步提高反射率差分型生物传感器的检测灵敏度，提出通过双入射角度的方法来实现反射率差分检测。该方法将入射光束调至能够使单位生物膜层厚度反射率差分量最大的两个角度去照射实验样品，通过接收端测得的反射率差分量计算出生物分子层的厚度。通过仿真计算，当入射角度为30.6°和61.7°时，生物分子层的厚度增加1 nm，获得的反射率差分量为1.22%，当入射角度都增加1°时，反射率差分量减少了0.08%，当入射波长增加1 nm时，反射率差分量减少了0.33%。仿真结果表明，该方法的灵敏度相比其他类型反射率差分型生物传感器有了较大提高，而且对微小入射角度变化和波长漂移不敏感。

为使金标免疫层析技术能对目标被检物进行高灵敏度快速定量检测，研制了一种基于CMOS图像传感器的金标条阅读仪。根据纳米金颗粒对绿光的强烈吸收特性,使用绿光LED为照明光源；依据空白金标试纸条图像的灰度分布调节LED光强和位置，使成像区域的照明均匀性达到最佳；依据自定义评价参数调节CMOS图像传感器的成像控制参数，使图像质量达到最佳；使用空白金标试纸条图像数据做背景校正，再通过特定算法计算出样品中目标被检物的浓度。使用该金标条阅读仪对滴加有心肌肌钙蛋白I(cTnI)标准样品的金标试纸条进行检测，在质量浓度为0.25～64 ng/mL范围内具有良好的4-PL响应特性,相关系数R2>0.99；使用该金标条阅读仪对上述浓度范围的金标试纸条各进行20次重复测量,其中，对高浓度金标试纸条（64 ng/mL）测量结果的变异系数为0.134%，对低浓度金标试纸条（0.25 ng/mL）测量结果的变异系数为2.790%；功能灵敏度优于0.25 ng/mL。该金标条阅读仪具有重复性好、灵敏、快速、低功耗、小型化等特点。

为进一步提高反射率差分型生物传感器的检测灵敏度，简化光学系统结构，降低传感单元制作难度，在现有理论的基础上，采用双偏振检测方法来实现反射率差分传感。其思路是用不同偏振态的光照射传感单元，测量接收端的反射率差分量，从而获得生物分子层的厚度。仿真结果表明，当二氧化硅的厚度增加1 nm时，双偏振检测方法获得的反射率差分量为0.7988%；改变偏振光的入射角度，得到反射率差分量的最大值为0.9143%；当入射波长增加1 nm时，反射率差分量减少了0.23%。该方法比周期性结构的传感单元具有更高的检测灵敏度，而且受光源波长漂移和加工误差的影响较小。

光学生物传感器在新药研制和生命科学等领域得到广泛关注, 重点对基于回音壁谐振模的无标记光学生物传感器做了评述。 根据谐振腔结构将传感器分为三类。 基于微球的生物传感器由于微球腔的高品质因子而成为最初研究的重点, 已实验研究了对蛋白质分子、 病毒和细菌的传感响应, 建立了基于单光子谐振能量和微扰理论的理论模型; 基于微盘的生物传感器能够利用成熟的平面光刻微加工技术, 传感构想提出更早, 但直到回流热处理技术的应用才使得微盘品质因子大幅提高, 从而实现了单分子测量; 基于微环的生物传感器具有简单的谐振模式, 有利于信号探测, 已采用聚合物, 氮化硅, 以及硅基二氧化硅等材料制作成功, 作为其在三维上的扩展, 微管式传感器由于能够将光通道和流体通道合二为一而在近年得到关注