專利名稱：一種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型生物化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物/化學(xué)物質(zhì)的精確檢測(cè)和集成光學(xué)傳感領(lǐng)域，具體是ー種新型的基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型生物/化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
生物化學(xué)傳感器是能夠直接提供周圍的有關(guān)生物、化學(xué)物質(zhì)的種類和濃度信息的傳感器，并且從電子計(jì)算機(jī)、新型材料和微電子處理技術(shù)的發(fā)展中獲得了發(fā)展動(dòng)力，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物技術(shù)、醫(yī)療診斷、藥物篩選、食品安全、環(huán)境和安全監(jiān)控以及其他的ー些領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。光學(xué)生物/化學(xué)傳感器分為兩大類標(biāo)記型，無標(biāo)記型的傳感器。其中標(biāo)記檢測(cè)具有成本高、耗時(shí)、易干擾等缺點(diǎn)；而無標(biāo)記型傳感器均具有靈敏度高、響應(yīng)快、實(shí)時(shí)檢測(cè)、無標(biāo)記、小型化易集成等特點(diǎn)，在分子檢測(cè)、安全監(jiān)控、生物技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。無標(biāo)記型生物化學(xué)傳感器主要有三種，它們分別是基于表面等離子體共振的，基于波導(dǎo)漸逝波的，基于多模干渉型的生物/化學(xué)傳感器。其中基于前兩種的傳感器具有體積大、成本高、效率低等缺點(diǎn)，而多模干涉結(jié)構(gòu)天然具有緊湊性、堅(jiān)固性、容易制作和容差性好等優(yōu)點(diǎn)，基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型結(jié)構(gòu)的提出在光學(xué)傳感領(lǐng)域是ー個(gè)創(chuàng)新的貢獻(xiàn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的錐形多模干涉器件具有很高的可靠性，在大范圍的生物和化學(xué)物品的檢測(cè)方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。另外，由于這種結(jié)構(gòu)靈敏度高、檢測(cè)限低、小型化和低功耗等優(yōu)良特性可能會(huì)帶來潛在的大批量生產(chǎn)降低成本，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，還可以將光學(xué)、流體和電學(xué)功能集成在同一平臺(tái)上以獲得實(shí)驗(yàn)上的單片微系統(tǒng)，進(jìn)ー步為光學(xué)生物化學(xué)傳感領(lǐng)域開辟新型的道路。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服現(xiàn)有光學(xué)生物/化學(xué)傳感器存在的不足，本發(fā)明提供ー種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉器件，作為傳感器的主要部件。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容差性好、緊湊便于集成、成本低、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的生物和化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干渉型生物化學(xué)傳感器，該傳感器包括用于輸入光信號(hào)的輸入波導(dǎo)，兩個(gè)輸出波導(dǎo)，即第一輸出波導(dǎo)，第二輸出波導(dǎo)，多模干涉波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)與第一輸出波導(dǎo)，第二輸出波導(dǎo)之間通過多模干渉波導(dǎo)連接；其中，
多模干涉波導(dǎo)為錐形；
單波長光信號(hào)從輸入波導(dǎo)輸入，在多模干涉波導(dǎo)區(qū)域發(fā)生多模干渉，基于多模干渉的自成像效應(yīng)，輸入光經(jīng)過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。優(yōu)選的，所述傳感器的多模波導(dǎo)為二次錐形曲線結(jié)構(gòu)，并且在多模波導(dǎo)區(qū)域設(shè)有開槽，用于填充檢測(cè)液體。
有益效果
1、核心傳感部件采用多模干涉波導(dǎo)，制作容差性好、可靠性高，不僅使得器件易于制作、經(jīng)濟(jì)成本低廉，而且還能提高器件檢測(cè)物質(zhì)的靈敏度和效率。2、多模干涉波導(dǎo)設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自鏡像長度很大程度的縮小，使得制作的器件更加緊湊、易于集成、適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。3、器件的多模波導(dǎo)中引入的檢測(cè)槽利于制作微流通道，引入低折射率開槽，使得器件更趨于小型化，還適用于大范圍的生物/化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)。4、基于硅基波導(dǎo)，兼容成熟的CMOS加工エ藝，能夠?qū)崿F(xiàn)硅基單片集成，在集成光學(xué)領(lǐng)域有著巨大的潛力。


圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的橫截面示意圖。圖3是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中檢測(cè)物質(zhì)折射率為1. 483的輸出端光場分布圖。圖4是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中檢測(cè)物質(zhì)折射率為1. 4852的輸出端光場分布圖。圖5是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)例中測(cè)得的在不同檢測(cè)物質(zhì)折射率下的歸ー化輸出光功率圖。圖6是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說明如下
I"輸入波導(dǎo)，2-開槽，3-第一輸出波導(dǎo)，4-第二輸出波導(dǎo)，5-多模干涉波導(dǎo)， 6 —第一三等分開槽，7-第二三等分開槽，8-檢測(cè)液體層，9- ニ氧化硅，10-硅襯底， 11 -娃心fe。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。參見圖1 一 6，本發(fā)明公開了ー種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型生物化學(xué)傳感器，該傳感器包括用于輸入光信號(hào)的輸入波導(dǎo)1，兩個(gè)輸出波導(dǎo)，即第一輸出波導(dǎo)3，第二輸出波導(dǎo)4，多模干涉波導(dǎo)5，輸入波導(dǎo)1與第一輸出波導(dǎo)3，第二輸出波導(dǎo)4之間通過多模干涉波導(dǎo)5連接。多模干涉波導(dǎo)5為錐形。單波長光信號(hào)從輸入波導(dǎo)1輸入，在多模干涉波導(dǎo)5區(qū)域發(fā)生多模干渉，基于多模干涉的自成像效應(yīng)，輸入光經(jīng)過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。所述傳感器的多模波導(dǎo)5為二次錐形曲線結(jié)構(gòu)，并且在多模波導(dǎo)5區(qū)域設(shè)有開槽 2，用于填充檢測(cè)液體8。器件選用多模波導(dǎo)5，偏振不敏感、帶寬高、制作容差性好，具有大的工作范圍；錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小器件長度，緊湊性好；用于填充檢測(cè)物質(zhì)的開槽2，能大大縮小多模波導(dǎo)的自鏡像長度，使器件小型化，同時(shí)提高了檢測(cè)效率。兩個(gè)輸出波導(dǎo)3，4的光功率變化，即可反映出物質(zhì)(濃度、類別等)的變化情況，靈敏度較高。
基于硅基槽式錐形波導(dǎo)的多模干涉型生物/化學(xué)傳感器，主要傳感器件由一條單模輸入波導(dǎo)1、兩條對(duì)稱單模輸出波導(dǎo)3，4、中間多模干涉波導(dǎo)5和低折射率開槽2構(gòu)成，其中多模干涉波導(dǎo)5的形狀設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計(jì)錐形結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)能夠大大縮小多模干涉器件的自鏡像長度，從而使得傳感設(shè)備更趨于小型化、易集成。設(shè)計(jì)多模波導(dǎo)符合錐形結(jié)構(gòu)
W(z) = W1 + (W0 — WoiLhfyil /2-z)2/(Z碰 / 2)-其中 W 和 W1 分別是干涉區(qū)域在 Z=O，
z=LWI/2處的寬度，ζ是光的傳輸方向，是多模干涉波導(dǎo)5的長度。通過理論推導(dǎo)證明， 錐形結(jié)構(gòu)的自鏡像長度是我們所熟悉的矩形多模干涉器件自鏡像長度的1/Z，自映像減小的幅度與波導(dǎo)的寬度等參數(shù)有密切關(guān)系，其中
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1 2(1-ゴ Ω)2(1+一)「2Κ1-ゴ Ω)2，T2^WnIWl-I' CiQ^l-W1ZW0"所述的錐形多模干涉?zhèn)鞲衅骷幸胝凵渎市∮诙嗄８蓽h區(qū)域折射率的槽，則會(huì)影響到自鏡像長度，使得制作的傳感器更加緊湊、小型化。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在多模干涉波導(dǎo)中間沿著縱向長度引入一條槽，則波導(dǎo)的自鏡像長度會(huì)縮小為原來的1/2且并沒有表現(xiàn)出不良現(xiàn)象。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在多模干涉波導(dǎo)中間沿著縱向長度引入兩條槽，則自鏡像長度會(huì)縮小為原來的1/3且并沒有表現(xiàn)出不良現(xiàn)象。本發(fā)明的基于硅基的槽式錐形多模干涉型生物/化學(xué)傳感器，槽中用來填充需要檢測(cè)的液體，檢測(cè)物質(zhì)一旦發(fā)生改變(濃度等)，則槽中的折射率也會(huì)發(fā)生改變，隨之引起波導(dǎo)的自鏡像長度發(fā)生改變，最終導(dǎo)致輸出信號(hào)的強(qiáng)度差變化，因此具有很好的傳感檢測(cè)功能。而且基于本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，相比國外研究的基于表面等離子體共振、漸逝波和矩形多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)生物化學(xué)傳感器，所述結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠、制作容差性好，靈敏度也有一定的提高，所述結(jié)構(gòu)非常適合于生物/化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)。單波長光信號(hào)從第一輸入波導(dǎo)1輸入，在多模干涉波導(dǎo)5區(qū)域發(fā)生多模干渉，基于多模干涉的自成像效應(yīng)，輸入光經(jīng)過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。所述傳感器的多模波導(dǎo)5為二次錐形曲線結(jié)構(gòu)，并且在多模波導(dǎo)5區(qū)域設(shè)有開槽 2，用于填充檢測(cè)液體8。開槽2中檢測(cè)液體的折射率、濃度發(fā)生改變，則多模波導(dǎo)的有效折射率也會(huì)發(fā)生改變，從而影響光在多模干涉波導(dǎo)5的干渉，通過探測(cè)兩個(gè)輸出波導(dǎo)3，4的光信號(hào)強(qiáng)度變化，即可檢測(cè)出檢測(cè)液體的折射率、濃度等變化情況。圖3和圖4分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)物質(zhì)折射率為1.483和1.4852的光在傳輸方向的功率分布圖，可見折射率發(fā)生微小變化，輸出端 1200um處光功率發(fā)生較大變化，分辨率高。多模干涉器件具有帶寬高、對(duì)偏振不敏感、制作容差性好等優(yōu)點(diǎn)，但是，一般地由于輸入輸出端口數(shù)量以及自映像長度的要求，多模干涉器件的長度值會(huì)達(dá)到毫米甚至厘米級(jí)別，對(duì)于制作緊湊型傳感器非常不利。所以本發(fā)明基于設(shè)計(jì)方案的理論支持，提出了兩種減少器件長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)一是增加檢測(cè)槽的數(shù)目；二是將多模干涉設(shè)計(jì)成錐形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常適合于制作生物/化學(xué)傳感器，為提高檢測(cè)器件的精確度和可靠性，本發(fā)明采用如下的測(cè)量方法定義輸出信號(hào)功率差
權(quán)利要求
1.一種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型生物化學(xué)傳感器，其特征在于該傳感器包括用于輸入光信號(hào)的輸入波導(dǎo)(1)，兩個(gè)輸出波導(dǎo)，即第一輸出波導(dǎo)(3)，第二輸出波導(dǎo)(4)， 多模干涉波導(dǎo)(5)，輸入波導(dǎo)(1)與第一輸出波導(dǎo)(3)，第二輸出波導(dǎo)(4)之間通過多模干涉波導(dǎo)(5)連接；其中，多模干涉波導(dǎo)(5)為錐形；單波長光信號(hào)從輸入波導(dǎo)(1)輸入，在多模干涉波導(dǎo)(5)區(qū)域發(fā)生多模干渉，基于多模干涉的自成像效應(yīng)，輸入光經(jīng)過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉器件，其特征在于所述傳感器的多模波導(dǎo)(5)為二次錐形曲線結(jié)構(gòu)，并且在多模波導(dǎo)(5)區(qū)域設(shè)有開槽(2)，用于填充檢測(cè)液體(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硅基槽式波導(dǎo)的多模干涉型生物化學(xué)傳感器，其特征在于該器件包括用于輸入光信號(hào)的輸入波導(dǎo)(1)，兩個(gè)輸出波導(dǎo)，即第一輸出波導(dǎo)(3)，第二輸出波導(dǎo)(4)，多模干涉波導(dǎo)(5)，輸入波導(dǎo)(1)與第一輸出波導(dǎo)(3)，第二輸出波導(dǎo)(4)之間通過多模干涉波導(dǎo)(5)連接；其中，多模干涉波導(dǎo)(5)為錐形；單波長光信號(hào)從輸入波導(dǎo)(1)輸入，在多模干涉波導(dǎo)(5)區(qū)域發(fā)生多模干涉，基于多模干涉的自成像效應(yīng)，輸入光經(jīng)過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、偏振不敏感、帶寬高、制作容差性好，具有大的工作范圍等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102565000SQ201210005490
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者肖金標(biāo) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)