新型光傳輸技術用於改進生物感測器

一種新的端射注入技術使用直接連接到微盤邊緣的波導（W）製作而成。一種稱為激光時間反轉的現象產生了一種激光，它吸收光而不是發射光，從而使光有效地進入微盤，它利用迴音壁光學效應限制和增強進入光碟的光。

實用的基於晶元的生物感測器目前的需求正越來越大，這些晶元可在護理點用於檢測癌症和其他疾病。一種將光注入微型硅微盤的創新方法可以通過降低成本和改善晶元基生物感測器的性能來滿足這一需求。這一進展最終可能導致一種攜帶型和低成本的早期癌症診斷光學感測器。

微盤是一種微型的諧振器，它使用迴音壁光學效應來限制和增強進入盤中的光。正如一個迴音壁的彎曲壁攜帶聲波，以允許耳語在房間中被清楚聽到，微盤的彎曲內表面攜帶光波穿過圓盤，增強光。這使得微盤能夠促進來自細胞、蛋白質或感興趣的病毒的光信號，允許更敏感地檢測與狼瘡、纖維肌痛和某些心臟問題等疾病相關的細微變化。

「雖然有迴音壁模式微諧振器，已經可以用來解決單分子，其應用是由裝置重複性問題有限，穩定性和波長範圍，」來自哈爾濱工業大學研究小組組長Qinghai Song說。「我們的新設計使器件性能優異，具有多種波長，成本低，穩定性高，器件重複性好的特點。」

在光學協會的高影響研究雜誌《Optica》雜誌上，研究人員詳細介紹了他們的新的端射注入配置，這提供了一種簡單，成本效益和有效的方式來獲得光進入微盤諧振器。他們還表明，使用微盤和端火注射的裝置可用於檢測溫度變化和納米粒子的存在。

研究人員的最終目標是使用他們的新的末端注射技術來製造一種攜帶型和低成本的感測器，它能檢測出早期癌症指標的細胞變化。然而，他們指出，新的光耦合配置也可以用於集成的光子電路，用於通信應用和各種感測器，例如國土安全或環境監測中使用的感測器。

這種掃描電子顯微鏡圖像顯示了一個裝置的俯視圖，該裝置包括一個連接到波導的具有5微米半徑的微盤。為了測量端部的火焰注入，它們引入了Y分光鏡，允許通過分光鏡的光被注入到微盤中，然後沿著相同的波導從微盤傳輸出去。研究人員發現，光可以耦合到微盤，效率高達57%。圖片來源：哈爾濱工業大學。

使用時間反轉

大多數微盤被設計成使用一種稱為倏逝光耦合的光學現象將光間接地注入到微盤中。然而，這種方法需要在波導和微盤之間非常精確的對準，這增加了製造成本並使器件容易受到穩定性問題的影響。

研究人員的端火注入技術使用直接連接到微盤邊緣的波導。雖然光垂直於圓盤側的光會從界面反彈，但光的角度僅略小於垂直，則會產生一種稱為激光時間反轉的反直觀現象。這就產生了一種吸收光而不是發射光的激光器，從而使光有效地進入微盤。

Song說：「因為這種結構不需要任何小於500納米的零件，所以可以用低成本的技術製造。」

為了測試他們的設計，研究人員製作了一個裝置，包括一個半徑為5微米的微圓盤與波導相連。為了測量端射注入，它們引入了Y分光鏡，允許通過分光鏡的光被注入到微盤中，然後沿著相同的波導從微盤傳輸出去。記錄來自Y結的光譜表明，光可以耦合到微盤中，效率高達57%。

上圖所示是研究人員創建的基於晶元的設備，包括微盤和它們的新的端射-注入耦合技術。新的光傳輸技術可以降低晶元生物感測器的成本，提高晶元的性能。

他們還表明，該裝置表現出很高的Q因子，即微盤限制和放大光的度量。此外，即使在製造偏差，如增加波導寬度從400納米到700納米，器件仍保持良好的性能參數。

Song說：「我們表明，端火注入技術的性能與傳統的微盤相媲美，但具有改進的魯棒性和降低的成本。總的來說，我們的研究結果表明，微盤現在已經準備好用於商業應用。」

研究人員還表明，感測器結合微盤和端火注射可以檢測到多個大的納米粒子以及單個納米顆粒的存在，只要30納米。他們感興趣的是使用大約40-100納米的細胞衍生囊泡來檢測癌症，基於這些結果應該是可能的。

研究人員正在研究該設備的其他部分，需要使用末端端射技術來製造一種攜帶型和低成本的感測器，可以檢測癌症的早期指標。

來源：https://phys.org/news/2018-05-light-delivery-technique-biosensors.html

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