哈尔滨工业大学宋清海课题组:微腔直接耦合技术推动生物传感芯片的商业化进程
2018-10-26

近日,哈尔滨工业大学宋清海课题组及合作者开发了一种新型的光学微腔耦合方法,能够在保持微腔器件高耦合效率和高品质因子的前提下,有效降低制备成本和提高稳定性,为未来微腔器件商用化提供了一种高效可行的耦合方案

在临床治疗中,癌症这类致死疾病的早期检测和诊断,能够大大提高治愈率。以此为目标,科学家在各领域开展了多种生物组织传感的研究工作。目前,虽然大多数生物传感技术的灵敏度已经能够实现癌症等多种疾病的早期检测,但是这类技术通常需要大型的检测设备,不仅耗时耗力,其高昂的检测费用也制约了这些技术的在疾病早期检测中的广泛应用,往往疾病确诊后已经错过了最佳治疗时机。因此,为了能够进一步减小器件尺寸和降低器件成本,人们尝试利用成熟的半导体加工技术来制备商用的生物传感芯片。

回音壁(Whispering gallery mode)光学微腔拥有高品质因子和小模式体积的特性,可以将单个病毒、细胞、蛋白质等结构产生的微弱信号放大,进而实现超高灵敏度的传感效果。传统的回音壁微腔采用倏逝波的方式进行耦合,为了满足相位匹配条件,需要精确控制波导与微腔间距在100~200 nm内,这无疑会造成高昂的制备成本以及稳定性、重复性等众多问题,尽管其传感性能优越,可是上述问题却成为制约微腔传感芯片进一步商业化的瓶颈。

为了解决这一困局,哈尔滨工业大学(深圳)宋清海团队从微腔的耦合机制出发,他们提出了耦合波导与微腔直接相连的结构,在波导末端中直接输入信号并激发微腔内的谐振模式。直观来讲,人们认为光信号从波导传输到微腔侧壁后会直接折射出,但实际上由于光的时间反演对称特性,光信号不仅可以高效耦合进微腔,同时还有效解决了传统倏逝波耦合面临的问题:波导直接与微腔相连,避免了制备中要精确控制波导和微腔间距的限制,整个器件的最小尺寸均大于500 nm,这就可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术大规模集成制备,其低廉的成本使这类片上传感芯片更容易商业化。


图1 (a)末端直接耦合的结构示意图; (b)和(c)分别为末端直接耦合效率对波导宽度和波导位置等制备误差的高容忍性;(d)末端直接耦合超宽光谱工作范围

实验中,该团队在绝缘体上硅(SOI)衬底上制备出波导末端直接耦合器件,实验验证了约57%的高耦合效率和2~7×105以上的品质因子。同时,他们改变波导宽度和位置,器件仍能保持其高效率的特性,表现出对实际制备误差的高度容忍性。除此之外,末端直接耦合器件能够支持传统硅基微腔可比拟的品质因子,实验中实现了半径只有30 nm颗粒的传感和多个纳米颗粒数量的检测,这个灵敏度已足够分辨癌症检测中用到的外泌体尺寸(通常在40~70 nm)。该团队表示,他们下一步将结合商用微流工艺和成熟的SOI表面处理技术,在微腔表面加工可以吸附特定癌症的抗原抗体组织,进而实现多种类癌症细胞点对点的早期检测。最终,利用末端直接耦合的低成本,真正实现像可抛式血糖仪一样便宜、便捷的商用化生物传感芯片。

值得一提的是,末端直接耦合机制并不仅仅局限于传感应用。相比传统的倏逝波耦合,末端直接耦合天然地避免了相位匹配条件造成的较窄工作光谱范围,能够支持超宽谱的高效耦合,这无疑对一些片上非线性研究有重要意义,如光频率梳、二次谐波和三次谐波等,对未来的大规模集成光子芯片发展将发挥重要的作用。

相关工作以长文形式发表于Optica [5, 612-616 (2018)]上,并被编辑选为Release News在Optica官方网站进行了采访报道。该论文第一单位为哈尔滨工业大学,共同第一作者为博士生刘帅和孙文钊,通讯作者为宋清海教授、肖淑敏教授和中科院半导体所黄永箴研究员,合作者有王雨杰、于晓依和徐科。该工作得到了深圳市基础研究项目、微纳尺度航天设备制备与检测公共平台和深圳市有机-无机型钙钛矿器件工程实验室的支持。

文章链接:https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-5-612

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