组成图示
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传感器类型
其他（硅光子折射率生物传感器）
检测对象
环境折射率（refractive index, RI）变化；样品基质：去离子水（deionized water）和氯化钠（NaCl）水溶液
检测原理
该传感器无特异性识别层，直接检测传感环周围环境折射率变化。当样品折射率改变时，传感环波导有效折射率改变，导致其谐振波长发生微小移动。两个具有不同自由光谱范围（FSR）的环形谐振器级联，总透射谱为两个梳状谱的乘积，仅在两环谐振峰部分重叠处出现组成峰，并叠加形成周期性包络峰。由于 Vernier 效应，传感环的小谐振移动被转换为包络峰中心波长的较大移动，放大因子约为 FSR_filter/(FSR_filter−FSR_sensor)。通过两步曲线拟合提取包络中心波长，得到随环境折射率线性变化的信号，从而实现高灵敏度折射率检测。
检测灵敏度
LOD: 8.3 10−6 RIU；灵敏度: 2169 nm/RIU；最小可检测波长移动: 18 pm；理论灵敏度: 2085 nm/RIU；单环参考灵敏度: 76 nm/RIU
效应效果
该首个非优化原型在去离子水和不同浓度 NaCl 水溶液中验证，线性拟合得到 2169 nm/RIU，与理论值 2085 nm/RIU 一致；单环计算灵敏度约 76 nm/RIU，说明级联 Vernier 结构显著放大信号。检测限为 8.3×10^-6 RIU，虽未优于文献中单环 7.6×10^-7 RIU，但证明了高灵敏度概念。实验采用温度稳定样品台抑制热漂移，两步拟合将最小可检测波长移动降至 18 pm，比谱峰间距小一个数量级。作者认为其极高灵敏度适合与阵列波导光栅或平面凹面光栅等片上色散元件集成，实现更便宜、便携的读出，可用于无标记生物分子检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：绝缘体上硅（SOI）芯片，含 2 μm 埋氧（BOX）和 220 nm 顶层硅，提供高折射率对比度波导与谐振腔。
- 谐振器结构：两个级联环形谐振器，450 nm 宽单模波导，各含两个 6 μm 长方向耦合器，耦合间隙 180 nm，折叠腔减小占位面积。
- 屏蔽/暴露层：500 nm 二氧化硅（SiO2）厚包层覆盖芯片，传感环处刻蚀窗口，使传感环倏逝场暴露于环境，滤波环被屏蔽。
- 微流控层：聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控通道，截面 600 μm × 50 μm，氧等离子处理后 135 °C 键合，用于输送液体样品。
- 光耦合层：输入/输出波导集成二阶衍射光栅耦合器，10 个周期、周期 630 nm、刻蚀深度 50 nm，并含 150 μm 线性锥形过渡到 450 nm 光子线波导。
- 光源/探测器：可调谐激光器、偏振控制器和光电探测器，用于波长扫描、偏振对准和透射光功率测量。
- 识别元件：未修饰特异性抗体/适配体/酶等识别分子，传感环倏逝场直接响应环境折射率变化，属于无标记折射率传感。
中文摘要
本文研究了一种由两个级联环形谐振器构成的折射率生物传感器，其工作原理类似游标卡尺（Vernier 效应）。该器件在绝缘体上硅（SOI）平台制备，两个环形谐振器具有不同光学往返长度，其中一个传感环暴露于环境折射率变化，另一个滤波环被厚氧化层屏蔽。当传感环有效折射率改变时，其谐振波长发生微小移动，经级联后在透射谱中形成周期性包络峰，包络峰中心波长移动被显著放大。作者推导了描述级联透射谱、包络峰和灵敏度的解析公式，并提出两步曲线拟合方法：先拟合组成峰，再拟合包络峰，从而准确提取包络中心波长，将最小可检测波长移动降至 18 pm。实验以去离子水和不同浓度 NaCl 水溶液改变顶部包层折射率，测得灵敏度为 2169 nm/RIU，理论值 2085 nm/RIU，单环约 76 nm/RIU；首个非优化原型检测限为 8.3×10^-6 RIU。结果表明该结构具有极高灵敏度，适合与片上衍射元件集成，用于低成本、便携的无标记生物分子检测。
英文摘要
We studied a refractive index sensor that consists of two cascaded ring resonators and that works analogously to a Vernier-scale. We implemented it in silicon-on-insulator and experimentally determined its sensitivity to be as high as 2169 nm/RIU in aqueous environment. We derived formulas describing the sensor's operation, and introduced a fitting procedure that allows to accurately detect changes in the sensor response. We determined the detection limit of this first prototype to be 8.310(-6)RIU.