CN101842691A - 基于双模光波导的干涉仪和传感器以及感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双模光波导的干涉仪和传感器以及感测方法。平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，包括：衬底(8，28，38，48)；包括沉积在所述衬底(8，28，38，48)上的至少一个层(1，2，3)的双模波导(10，20，20’，30，40)，所述双模波导(10，20，20’，30，40)被设计为支持零阶和一阶横向传播模式，所述横向传播模式具有不同的色散；位于所述双模波导(10，20，20’，30，40)的上侧的特定区域中的传感器片(21，31，41，51)，所述传感器片(21，31，41，51)被设计用于接收化学、生物或物理输入刺激物，所述刺激物能够改变所述双模波导(10，20，20’，30，40)的有效折射率。所述双模波导(10，20，20’，30，40)包括被设计用于在侧向限制光的限制装置(9)，从而双模波导(10，20，20’，30，40)被设计用于支持一个侧向模式。提供了包括平面光波导干涉仪的芯片、传感器和感测方法。

Description

基于双模光波导的干涉仪和传感器以及感测方法
技术领域
本发明涉及基于光波导的干涉仪和传感器，尤其涉及基于双模光波导的干涉仪和传感器。
背景技术
对分子的检测，例如对蛋白质、葡萄糖、或分子之间的结合(binding)的检测，是一个常见的问题。溶液中的试剂量或分子浓度可能很低，需要高灵敏度的设备来检测分子。可以使用各种方法和技术来进行检测。存在多种纳米机械和光学设备，诸如马赫-曾德(Mach-Zhender)干涉仪、表面等离子体激光谐振、杨氏(Young)干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪、以及平板干涉仪。马赫-曾德和杨氏干涉仪是很久以前引入并已被充分研究过的基于光波导的紧凑型设备。现在，这些技术被认为属于生物分子检测领域中最灵敏的技术，因为坚固平面结构的简单性提供了相对简单的固定过程这一优点。已开发的方法和规程能够结合分子而无需作标记。这使得实验不那么费劲并且更加可重复，因为作标记会干扰实际结果，因而是一种误差来源。干涉仪通常具有两个支路，当干涉仪作为感测设备时，其一个支路设有传感器片，另一个支路作为参考。流过传感器片的试剂与之前被固定在波导上的分子在窗口中相互作用。这会改变波导包层的折射率，并随之改变光沿该波导传播的速度。从而，在两个支路中传播的光波之间存在相移。根据干涉仪的类型，混合这些波会产生不同的结果：在杨氏干涉仪的情况下是干涉图案，而在马赫-曾德干涉仪的情况下是输出通道信号的变化。
然而，具有两个支路的干涉仪具有难以精确分光的缺点。如果制作得不好，则关键的Y接头对称性使得干涉仪容易具有减小的调制深度和灵敏度的损失。
而且，可能仅仅在相对较薄的波导上才能获得高灵敏度。灵敏度定义为，波导消逝场进入与波导结合的分析物中——即进入与波导接触的分析物中——的穿透深度。如果波导厚度减小，则穿透深度显著增大。由于薄波导的波导传播模式的强度分布与常规光源强度分布之间的失配，这引起光耦合的困难。
两个支路中的干涉光波之间的初始相移调节需要额外的技术和工程努力。
通过使用双模波导干涉仪可以部分解决上述问题。日本专利申请JP2004145246给出了利用两个传播模式的干涉来工作的设备的一个例子。该设备由单模波导、随后的双模波导、和再随后的另一个单模波导组成。
JP2004145246中描述的结构的工作原理是基于平面型双模波导中两个传播模式的干涉。图5示出了这种波导。虽然物理结构是三维的，但是从性质角度而言该结构是二维的：在纵向(在图5中被称为X轴)，即光传播的方向，该结构具有台阶(step)或肋(rib)500，其定义了沿纵轴的厚度变化。在横向(在图5中被称为Y轴)，波导材料的性质(即，折射率)有变化。在侧向(在图5中被称为Z轴)，波导结构是均匀的，因为其性质沿侧向无变化。因此，该结构是二维结构(从传播的角度而言，它具有一个纵向尺寸和另一个横向尺寸)。
然而，JP2004145246的设备的尺寸无法制造能够检测包层折射率的极小变化的狭长干涉仪。
G.Coppola等人在“Temperature Optical Sensor Based on allSilicon Bimodal Waveguide”中给出了利用传播模式的干涉来工作的设备的另一个例子，其中侧向模式参与生成干涉图案。该设备可以使用常规的光刻法制造。
尽管如此，该设备的准确实施仍然非常需要对干涉仪侧向几何结构的精确控制。利用常规的微电子技术来控制该设备的侧向几何结构是很复杂的。
实际上，JP2004145246和G.Coppola等人的文献中的设备结构暗示的是顺序波导结构，其被设计用于激励模式和用于读取干涉信号。这对设备的灵敏度以及对其通用性造成某些限制。
发明内容
本发明利用双模波导结构，其中当该双模波导结构经历结构变化时，积累在两个传播模式之间的不同的相对相位延迟。本发明还涉及包括双模波导的光波导干涉仪，其中该双模波导的传播模式色散对模式阶次敏感。
本发明的一个方面涉及一种平面光波导干涉仪，包括：衬底；包括沉积在所述衬底上的至少一个层的双模波导，所述双模波导被设计为支持零阶和一阶横向传播模式，所述横向传播模式具有不同的色散；位于所述双模波导的上侧的选定区域中的传感器片，所述传感器片被配置用于接收化学、生物或物理输入刺激物，所述刺激物能够改变所述双模波导的有效折射率。所述双模波导包括被设计用于在侧向限制光的限制装置，从而双模波导被设计用于支持一个侧向模式。
所述干涉仪优选地包括被配置用于将光导入所述双模波导中的电磁辐射源。该源更优选地是激光器。
可选地，所述源集成在衬底的结构中。
在一个特定实施例中，所述干涉仪包括偏振装置。
可选地，所述干涉仪包括聚焦装置。在一个特定实施例中，聚焦装置是透镜。在这种情况下，透镜的中心轴被配置为在横向与双模波导的纵对称轴未对准，从而当将来自源的光通过所述透镜朝双模波导直接聚焦时，在双模波导中激励第一和第二横向传播模式。
在一个特定实施例中，所述干涉仪包括在所述双模波导的一端连接的输入波导，所述输入波导被设计用于在横向和侧向都支持单模；在所述双模波导的另一端连接的输出波导，所述输出波导被设计用于在横向和侧向都支持单模。所述输入和输出波导中的每一个的厚度小于所述双模波导的厚度，从而由于在所述输入波导和所述双模波导的接合处的不对称几何结构，所述单模被分成第一和第二横向传播模式。可选地，所述干涉仪包括用于将电磁辐射耦合到双模波导中的装置，该装置选自：端射(end-fire)、直接聚焦、棱镜耦合、和衍射光栅耦合。耦合到输出波导中的光量取决于在双模波导和输出波导之间的接合处的强度分布。
在另一个实施例中，所述干涉仪包括被设计用于以不同的入射角将光的一阶和二阶模式耦合到双模波导中的耦合装置。可选地，所述耦合装置是耦合到所述双模波导的输入端的衍射光栅。
优选地，所述双模波导包括至少两个层。在该情况下，每一层具有不同的折射率。第二层的折射率低于第一层的折射率。
所述零阶模的有效折射率和所述一阶模的有效折射率实质上不同。横向传播模式的不同色散取决于基于波导参数的传播速度。
可选地，所述干涉仪包括检测装置，用于在所述波导输出端测量由于输入刺激物引起的辐射强度的变化。在一个特定实施例中，所述检测装置是两段式光检测器。
本发明的另一方面涉及包括至少一个像前面提到的那样的平面光波导干涉仪的芯片。
本发明的另一方面涉及包括像前面提到的那样的平面光波导干涉仪的传感器。
最后，本发明涉及一种感测方法，包括以下步骤：(a)在光波导干涉仪的双模波导的确定区域中限定传感器片；(b)在所述传感器片中放置化学、生物或物理刺激物；(c)引入或引起所述刺激物中的变化；(d)将电磁辐射的零阶模式和一阶模式耦合到所述双模波导中，使得当两个模式行进通过在双模波导中限定的传感器片时，它们经历取决于所述刺激物中的变化的相位延迟；(d)将电磁辐射的一阶模式和二阶模式耦合到所述双模波导中，使得当两个模式行进通过在双模波导中限定的传感器片时，发生取决于所述刺激物中的变化的相位延迟；(e)在所述双模波导的输出端，测量所述零阶模式的响应相对于所述一阶模的响应；以及(f)将两个模式的相对响应与刺激物中引起的变化相关联。
优选地，所述测量零阶模式的响应相对于一阶模式的响应的步骤包括：生成干涉条纹图案；和测量干涉图案中的位移。进一步地，所述将两个模式的相对响应与刺激物中的变化相关联的步骤包括：将干涉图案中的位移与确定的刺激物中的变化的存在相关联。
所提出的发明的优点将在下面的描述中变得明显。
附图说明
为了使说明书完整以及为了提供对本发明更好的理解，提供一组附图。所述附图形成说明书的一个整体组成部分，并且示出本发明的优选实施例，该优选实施例不应当被解释为限制本发明的范围，而只是作为本发明可以如何实施的一个例子。附图包括以下的图：
图1a至1c是根据本发明的光波导干涉仪的原理表示。
图1d表示在根据本发明的光波导干涉仪中，传播模式在横向的强度分布的例子。
图2a示出根据本发明的干涉仪和传感器的一个例子。
图2b示出图2a的例子的一种实施方式。
图3示出根据本发明的干涉仪和传感器的一个例子。
图4示出根据本发明的干涉仪和传感器的一个例子。
图5示出现有技术中的二维平面波导。
图6和7示出一种波导，其中对根据本发明的″横向″和″侧向″的含义进行了阐释。
图8示出对于在本发明的干涉仪的输出端检测的信号的两种仿真。
图9示出一种仿真，表示根据本发明，包层折射率如何影响两个模式的传播常数。
图10表示根据本发明，灵敏度与包层折射率的关系。
图11示出根据本发明的一种传感器的实验布置的示意图。
图12a和12b示出图11的传感器在不同条件下的响应。
具体实施方式
在本发明的上下文中，下列附图必须加以考虑：
如图6示出的，电磁辐射光束的″横向模式″是沿着由垂直于光束传播方向的平面(平面1或平面YOZ)和垂直于波导结构并沿传播方向的平面(平面2或平面XOY)所形成的线所测量的确定的辐射强度图案。在本发明的上下文中，术语″垂直的(vertical)″要作为″横向(traverse)″的同义词来考虑。
如图7示出的，电磁辐射光束的″侧向模式″是沿着由垂直于光束传播方向的平面(平面1或平面YOZ)和也垂直于波导结构并沿传播方向的平面(平面3或平面XOZ)所形成的线所测量的确定的辐射强度图案。在本发明的上下文中，术语″水平的(horizontal)″要作为″侧向(lateral)″的同义词来考虑。
横向模式和侧向模式可以被分类成TE(横电)模和TM(横磁)模。TE模是在传播方向上没有电场的模式，而TM模是在传播方向上没有磁场的模式。
波导模式的″色散″是所述模式的传播速度对波导及其包围层的参数的依赖性。
″分析物″是任何包含有要由本发明的干涉仪和传感器检测的物质的溶液。
本发明的实施方式可以如下进行：
图1a示出支持本发明的两个模式的单个光波导10的示意性表示。波导10能够支持的两个模式是横向模式(TE或TM)：TE或TM基模和TE或TM一阶模。虽然可以选择两个侧向模式，但是为了克服已提到的由限制两个侧向模式的结构引起的缺点，限制两个横向模式的结构被选择和设计。
该光波导10用作干涉仪。光波导10包括至少一个以层状方式沉积到衬底8上的光学透明材料层2。优选地，波导10包括若干个以层状方式沉积到衬底8上的光学透明材料层1、2、3。层2具有比相邻的层1和3要高的折射率。因此，在这种情况下，光波导10是平板光波导。波导可具有单层：在衬底上的一个层1就足够了，因为如同之后将解释的那样，沉积在上层(可能是仅有的一层)之上的分析物也形成位于波导10上方的层(覆盖层)。因而，干涉仪的工作原理得以满足，根据该原理，光行进通过具有不同折射率区域的结构，所述两个区域是单层波导10(支撑在衬底8上)和沉积在其上的分析物或覆盖层。优选地，使用多个层1、2、3以优化该结构。
波导10包括能够在侧向限制光的限制装置。得益于该限制装置9，该波导能够支持至少一个侧向模式。
注意，在提供了横向限制的完美波导的理想情况下，具有相对宽的侧向分布(例如，大约1mm)的光束将基本无发散地传播。这意味着，在横向传播几毫米之后，光束将保持大约1mm的相同宽度。在这种情况下将不需要肋或脊(ridge)。然而，对于将许多波导集成在同一个芯片上的一个阵列中而言，宽的光束使得波导庞大且不实用。对于传播通过这些波导的窄光束(宽度小于大约100μm)，它们最终变得非常发散，即，在横向传播几个毫米之后，该光束在侧向发散并扩展几个毫米。这使得设备不实用。换而言之，在实际中，当使用简单的平面结构时，侧向单模工作极为困难。同样地，波导越长，保持侧向单模工作越困难。因此，诸如肋、引导装置之类的限制装置是必要的。
侧向单模工作还有助于在干涉仪用作传感器时的建模，并使其行为可预测。
限制装置9的非限制性例子是肋、脊或斜坡(gradient)。因此，合适的波导是：肋、脊、斜坡或其它波导结构。因此，波导10允许入射电磁辐射在由波导10的长度所表示的方向上(即，在由从光源4出来的箭头所示的方向上)传播。波导10优选是矩形波导，从而模式被侧向和横向限制。波导为矩形不意味着波导在垂直于传播方向的平面中必然具有矩形轮廓。相反地，波导截面可具有小的台阶，形成肋波导结构。
在一个特定实施例中，波导10是肋型波导。这在图1a中被示出，其中波导在侧向包括肋9(根据图5的方案)。肋9暗示着波导10的厚度沿所述侧向而变化。图1b示出具有肋9的相同波导10的另一视图。图1c中的标号19表示另一种类型的波导10。在图1b中，示出三个传播方向：纵向X(光传播的方向)、横向Y、和侧向Z。
可以看到，本发明的结构是在光传播的方向上均匀，而JP2004145246中公开的结构是在侧向均匀或一致。
虽然图1a-1c没有示出，但是该结构还包括利用标准光刻法和湿法刻蚀在波导表面上形成的传感器片或区域。该传感器片在图2到图4中示出。
这种2D结构的优点之一是波导将单模光限制(因而能够传播光)几个厘米而在侧向没有光发散。需要侧向单模工作是因为下列理由：第一，当波导被用作干涉仪或传感器时，它有助于在控制在波导端部形成的干涉图案时避免模糊。第二，只能由二维结构(即肋、脊，等等)实现的窄波导允许将传感器面积顺序安排(sequence)到几分之一平方毫米。传感器面积能够从大约0.05到大约1mm2之间变化。作为例子，15mm长、0.01mm宽的波导具有0.15mm2的面积。
在本发明的设备中，灵敏度非常重要。所述结构需要足够长以便作为波导干涉仪工作，因为其灵敏度与传感器片或区域的长度、或者与双模波导的长度成比例。因而，该结构的长度优选大致在0.5到5cm之间的范围中。
图1c示出由安装好的波导形成的波导10可以如何通过安装来设计。标号18表示波导19被植入的区域。折射率在区域18中改变。所述波导在横向和侧向经历折射率空间变化，而在几何上它保持为平板结构。
来自源4的光可以被传输到波导10的输入端以照射层2。优选地，光源4提供波长落在可见或近红外范围内的光，所述范围大致在400和1600nm之间。光源4优选是激光器。
因而，两个横向传播模式被同等地激励并行进通过波导10的长度，积累不同的相位延迟。在波导10的输出端6，光可以从端面辐射到屏幕或测量设备7上。强度分布表示积累的相对相位延迟。测量设备的非限制性例子是检测器，诸如一个或多个光电二极管。如果使用多于一个光检测器，它们被布置为阵列，诸如二维的光电二极管阵列或CCD相机。
图1a中已描述和示出的元素形成平面光波导干涉仪15。
两个横向模式能够根据入射电磁辐射波长的变化或局部环境中的变化而表现出可测量的相对响应。如果层1的折射率局部改变，则积累不同的相对相位延迟，并且强度分布被相应地修改。光波导横向模式具有在层1、2、3之中分布、并在有些情况下穿过波导结构10的衬底8的电场。层1、2、3中包含的相对功率量确定波导模式的″有效折射率″。转而，模式的有效折射率确定该模式的传播速度以及从而当该模式行进通过波导10时能够积累的相位延迟的程度。如果层1、2、3的折射率改变，则场分布也改变，从而导致有效折射率的改变。如果模式的色散性质不同，则有效折射率的改变可能非常大。基模和一阶模的传播常数取决于上层和覆盖层的折射率。如已经提到的，当光波导用作干涉仪并且分析物沉积在上层1上时，分析物用作覆盖层。换而言之，色散(即，传播常数对折射率的依赖性)对于每个模式不相同是必要的。两个模式在波导端部的干涉图案取决于组合的层的折射率，并因而取决于分析物溶液的折射率。
图1d表示传播模式在横向的强度分布的例子。X轴表示横向距离，以nm为单位。Y轴表示电场的归一化强度(大小不像响应或形状那样重要)。在图1d中，标号11表示基模的强度分布。标号12和13表示一阶模的强度分布。在图1d中可以看到，色散效应起因于两个模式明显不同的功率分布。
形成光学干涉仪的光波导结构10可以有利地使用任何适当的常规材料组合来制造。常规制造方法的例子是那些基于化学气相沉积(CVD)的制造方法，诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)。
化学气相沉积(CVD)是用于生产诸如薄膜之类的高纯度、高性能的固体材料的化学工艺。在典型的CVD工艺中，晶片(衬底)暴露于一种或多种易挥发的前驱体中，这些前驱体在衬底表面上反应和/或分解以产生所希望的沉积。微制造工艺广泛地使用CVD来沉积各种形式的材料，包括：单晶、多晶、非晶、以及外延形式。这些材料包括：硅、碳纤维、细丝、碳纳米管、SiO2、硅锗、钨、碳化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、以及各种高k电介质。
例如，恒定厚度(通常介于0.3和0.5微米中间)的氮氧化硅光波导的折射率可被选择为处于在1.457和2.00之间的任何水平。
优选地，第一和第二波导模式可以表现出对局部环境中的变化的可测量的相对响应，其中，所述局部环境中的变化是由确定的物理、生物和/或化学刺激物(stimulus)的变化的引入而导致的。该响应由这些模式的消逝场在延伸到该局部环境中时引起。引入刺激物变化的一个例子是放置在该环境中的材料(例如分析物)的折射率的变化。由于这种变化，第一和第二波导模式积累不同的相对相位延迟，从而引起可测量的相对响应。
这意味着，平面光波导干涉仪15能够有利地被用于检测引入到该局部环境中的分析物的物理、生物和/或化学刺激物中的变化的存在。光波导干涉仪从而变成化学传感器波导干涉仪或基于光波导的传感器。所述刺激物与波导模式相互作用的非限制性例子是：结合(binding)相互作用、吸收相互作用、或任何其它相互作用。例如，包含化学刺激物的气相或液相分析物可以被引入到光波导干涉仪的局部环境中。可替换地，在所述环境中可能发生化学反应，导致在原处的化学刺激物的性质改变，从而导致所述环境的改变。
所述局部环境，也称为传感器层或片，优选是光波导10的上层1的区域或表面(图1a-1c中未示出)。该传感器层可以包括吸收或生物活性材料。吸收材料的非限制性例子是聚合物材料，诸如聚硅氧烷或印迹聚合物(imprinted polymer)。吸收材料能够吸收包含特定化学刺激物的气体、液体或蒸气。生物活性材料的非限制性例子是包括单克隆和多克隆抗体、酶、DNA片段、RNA、核酸适体(aptamer)、PNA、功能蛋白或完整细胞的那些材料。生物活性材料可以适合于以液相或气相被检测。
当电磁辐射沿波导10传播时，在双模波导10(充当干涉仪)的内部产生干涉图案。已经提到的位于局部环境或传感器片中的刺激物中的变化，或波长的变化，可以从该干涉图案的相对相移来计算。对所述变化的可测量的响应由干涉图案中条纹的位移来表示。在干涉仪中的辐射的相对相移可以通过测量所述条纹的位移来计算。在波导10的输出端6，电磁辐射被耦合到自由空间中。从而能够以常规方式记录干涉图案(例如，使用单个检测器7，其测量辐射强度的变化，或者使用多个这种检测器7，它们监测若干条纹中或整个干涉图案中出现的变化)。这样的检测器7优选是一个或多个光检测器，并且一旦使用多于一个光检测器，它们被布置为阵列，例如二维光电二极管阵列。
如图1a所示，来自源4的光被聚焦到波导10的输入端5中并且以电磁辐射形式传播，其可以通过不同途径被耦合到第一和第二波导模式中。
在一个特定实施例中，辐射简单地通过所述波导10的表面5的端部被耦合到波导10。这也被称为″端射型过程″。在该情况中，光源(例如激光器)与层状结构1、2、3集成在公共衬底8上。衬底8的非限制性例子是磷酸铟和硅衬底。
可替换地，干涉仪15包括用于将入射电磁辐射耦合到波导10的第一波导模式(基模)和第二波导模式(一阶模)中的其它耦合手段。这两个模式的耦合是基本同时完成的。除端射之外，耦合手段的非限制性例子有：直接聚焦(例如，通过氦氖激光器)、棱镜耦合、衍射光栅耦合、或反射镜耦合。
可选地，入射光或电磁辐射可以使用适当的偏振装置根据需要而被调整方向(例如变成线偏振)。偏振装置的非限制性例子是，偏振立方分束器、线偏振器和线栅偏振器。
可选地，入射光或电磁辐射可以使用聚焦装置来聚焦。这种装置的非限制性例子有：透镜、微透镜、以及包括一系列透镜的光学系统。
可选地，输出的电磁辐射图案可以借助于投射手段向前述的检测器投射。投射手段的非限制性例子是物镜、透镜、以及到多段式光检测器上的直接投射。
接下来，描述基于双模波导的干涉仪和基于干涉仪的传感器的一些例子。
图2示出干涉仪25的例子，其包括由图1a、1b和1c中示出的一个或多个层形成的双模波导20。在其顶面上，波导20包括其中可沉积分析物的传感器片21。通过借助于物镜22直接聚焦来自激光源(图2中未示出)的光，在波导20中激励波导模式(基模和一阶模)。如果折射率跨某个结构的横向分布关于该结构的对称轴不对称，则该结构被认为在横向不对称。所述结构的对称轴是沿光传播方向、并在横向基模电磁场分布的最大强度所处的点处与垂直于光传播方向的平面相交的轴。因而，图5的结构是不对称的。因为结构不对称，物镜的中心轴与波导层的对称轴在横向可能未对准，所以零阶模(基模)和一阶模都被激励。两个横向模式以不同速度传播并经过传感器片21。使用物镜29作为投射和放大装置，将在波导20的输出端16形成的干涉图案投射到两段式光检测器(TSP)27上。除了其它参数之外，干涉图案的最大值位置由所激励的波的初始相位以及由通过传感器片21的分析物的折射率来定义，所述其它参数诸如折射率、每一层的厚度、波导长度和波导宽度。
块28指的是可以附着到波导20以提供分析物的流动和交换的微流体单元的壁。它们不是本发明的一部分。
图2b示出图2a的例子的一种实施方式。横向的干涉图案可以分布为其最大值位于波导的下部或上部，如图2b所示，其中在插图中示出波导截面上的光强度分布。所述分布是针对折射率为2.0(氮化硅)、厚度为400nm的波导设计的。模式之间的相位差从一条曲线到另一条曲线变化了π弧度。在某些条件下，集中在光检测器的顶部段和底部段的能量之差能够达到-17dB。输出强度与在输入端耦合到波导的光量成比例。如果波导上的吸收是恒定的，则除了一些由于从输出面反射引起的变化之外，在出口的总光功率与在输入端耦合的功率成比例，根据仿真，这随着干涉图案移动稍有变化。假定反射变化的函数已知，则由耦合效率变化引起的不确定性可以减小，因为利用两段式光检测器(TSP)进行监测允许同时记录总功率和激励双模波导(BiMW)的光的分布的移动。
图3示出干涉仪35的例子，其包括由图1a、1b和1c中示出的一个或多个层形成的双模波导30。在其顶面上，双模波导30包括其中可沉积分析物的传感器片31。干涉仪35在所述波导30的两端包括单模波导31、32。输入波导31和输出波导32都在横向和侧向是单模。单模部分31、32与双模部分30唯一不同的参数是厚度。这暗示着，这两个波导31、32的厚度小于双模波导30的厚度。光通过任何常规耦合方式被耦合到输入波导32中，所述耦合方式诸如端射、直接聚焦、棱镜耦合、或衍射光栅耦合。用于图3的干涉仪35的特定耦合方式是借助于聚焦透镜34直接耦合。因为该结构在输入波导32-双模波导30接合处是不对称的，所以基模(这是传播通过输入波导32的唯一模式)在双模波导30中分成两个模式：基模和一阶模。模式振幅之间的比率由结构的几何参数来限定，或者更确切地说，由波导32、30、31的厚度来限定。波导厚度的优化是可以基于常规建模方法解决的工程问题。耦合到输出波导33中的光量取决于在双模波导30-输出波导33接合处的强度分布。在该例子中，由常规的光检测器37，诸如光电二极管，来执行对从输出波导33出来的输出信号的读取。使用物镜39作为投射装置，将输出干涉图案投射到所述光检测器37上。
图4示出干涉仪45的例子，其包括沉积在衬底48上的双模波导40。在其顶面上，双模波导40包括其中可以沉积分析物的传感器片41。光借助于安装或集成在双模波导40上的衍射光栅耦合器42而被耦合到双模波导40中。基模和一阶模由来自单个源(图4中未示出)的光束(例如激光)激励，并且以与每个模式的相位匹配条件相对应的不同入射角θ0、θ1射向衍射光栅耦合器42。两个模式都被衍射光栅耦合器42衍射并传播通过双模波导。
如已经提到的，灵敏度与传感器片的长度或者与双模波导的长度成正比。接下来，对图2b的设备灵敏度进行分析。
如果使用转移矩阵方法，为波导的每个模式创建光强度分布，其中该波导在二氧化硅衬底(折射率1.46)上的折射率为2.0(氮化硅)，包层为可变折射率。然后，在波导出口的干涉图案分布和由光检测器各段生成的相应信号作为模式之间相移的函数被计算。根据下式对光检测器各段所产生的信号重新进行计算得到输出信号的相对变化Sr：
S r = U up - U down U up + U down , - - - ( 1 )
Uup、Udown分别是由光检测器的上段和下段生成的信号。图8示出仿真结果(Sr相对于相移)。所有计算都是针对632.8nm的波长执行的。模式振幅在之前已被归一化。针对400nm厚的波导建立的曲线(实线)要稍陡于针对300nm厚的波导的曲线(虚线)。原因在于，对于薄波导，波导模式的不对称分布更强。然而，曲线斜率之间的差别不那么显著：对于300nm厚的波导为4/π，而对于400nm厚的波导为4.3/π。
考虑均匀双模波导，其中模式传播直至达到距离L和波导的出口，则设备的灵敏度，即，输出信号发生的变化和包层折射率发生的变化之间的关系，由以下公式表示：
Figure GPA00001046753900142
ncl表示包层的折射率，是两个模式的相位差。
在距离L之后，由于包层折射率变化引起的相位差可以表示为：
L是传感器片的长度，λ是波长，Δneff 0，Δneff 1分别是由于包层折射率变化引起的零阶模和一阶模的有效折射率变化。在(3)取代了(2)之后，得到设备灵敏度的表达式如下：
Figure GPA00001046753900145
包层折射率对基模的传播常数neff 0和一阶模的传播常数neff 1的影响不同。图9中示出导数作为包层折射率的函数。虚线对应于基模，实线对应于一阶模。波导厚度对应于：□-300nm，○-350nm，△-420nm，
Figure GPA00001046753900151
显然，波导模式穿透到包层中越深，对两个模式的折射率调制越有效。模式的穿透与波导厚度成反比，并且与ncl成正比。图9中示出的两个模式的导数都随着包层折射率增大而增大。然而，一阶模的传播常数受到包层折射率变化的强烈影响。导数之间的差别尤其显著，从而在薄波导中的灵敏度更高。例如，在300nm厚的波导中，灵敏度可能是在470nm厚的波导中的3倍。
在图9和表达式(3)中可以看到以每单位折射率的相移表示的灵敏度。从而，当ncl约为1.34时，在300nm厚和10mm长的波导上，如果包层折射率改变6×10-4RIU(折射率单位)，相位变化可以达到2π。
在图10中，对于四个不同的波导厚度：□-300nm，○-350nm，△-420nm，
Figure GPA00001046753900152
绘出借助于表达式(4)计算的灵敏度Sens相对于包层折射率的曲线。该灵敏度是对于包层中每单位折射率变化，输出信号的变化。计算是假定波导长度为10mm而进行的。这个参数限定了为了辨别干涉图案的变化，检测电路中所允许的本底噪声。可以观察到，当利用比400nm要薄的波导工作时，1％的准确度对于读取输出信号已经足够。所提出的设备的灵敏度比得上通过硅技术制造的集成MZI的灵敏度。
以下是制备的一个例子：一面被抛光的硅晶片经历高温氧化。作为该工艺的结果，在该晶片的两面(放置元件以形成波导的一面，以及背面)上都形成了约2μm厚的二氧化硅层。通过LPCVD技术，在所述元件和背面上都沉积约400nm厚的氮化硅层。在晶片的正面上沉积PECVD二氧化硅层。利用常规光刻法和在缓冲氢氟(HF)酸中的湿法刻蚀，在正面上将波导图形化。用氧等离子体来去除光致抗蚀剂。将晶片浸入HF溶液中一定时间，该时间足以去除二氧化硅掩模并同时在氮化硅上形成肋。使用选择性刻蚀(PECVD氧化物的厚度被选择为与肋高度成比例)。如果用SiO刻蚀溶液(类似于HF 10％)进行刻蚀，则刻蚀(氮化硅)的选择比大约为1000/14。该技术使得能够制造高度约为4nm、宽度约为4μm的肋波导。得到的波导能够支持两个横向模式。因此它是双模的，具有基模和一阶模。然后，在部分元件上沉积二氧化硅层作为保护层。借助于标准光刻法和在SiO刻蚀溶液中的湿法刻蚀，在波导的表面上形成传感器片。
对于当前的实验，使用了支持侧向单模的3μm宽的波导。晶片被切成芯片，并且芯片被抛光以使波导端面被抛光。芯片被安装在铝基上，并且用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流体头部覆盖，该头部具有通道以便在波导上提供试剂流。传感器片L的长度是3mm。
接下来描述根据本发明的基于双模光波导的生物传感器。通过将水：丙三醇溶液注入到通道中来进行检测试剂折射率变化的实验。图11示出实验布置的示意性视图。由蠕动泵提供所述流。来自氦氖激光器4′的光通过物镜52聚焦为一束并射入到波导20′中。在该情况中，激光器是10mW的氦氖激光器，其还包括扩束器。物镜相对于波导在垂直方向上的轻微失准使得能够同时激励两个模式。由另一物镜29′收集光，并且波导面的图像被投射到TSP 27′上。当去离子水经过传感器片51时，信号是稳定的。阀53用于将具有或没有试剂的流引向微流体单元中经过传感器片51的通道。然后，具有三个不同浓度、折射率分别为1.3356，1.337和1.39的溶液被注入到通道中。图12a和12b中示出输出信号的时间图。实验是对不同的样品和在不同的时间进行的，因此，从一个实验到另一个实验，调制幅度和灵敏度不同。高浓度丙三醇溶液(44％vol.，折射率1.39)的注入引起强烈的相位变化和18π的振荡(参见图12a)。低浓度丙三醇溶液(2.2％或3.3％vol.，相应地，对应的折射率为1.3356和1.337)的注入导致弱的相位变化和分别为几乎π和2π的振荡(参见图12b)。
分析实验结果并假定去离子水的折射率为1.333，观察到，包层RIU每变化0.006，相位变化大约2π。在最灵敏位置处的曲线斜率约为0.06每10-4RIU。随后，为了检测10-6RIU的折射率变化，测量输出信号的绝对值需要6×10-4(0.06％)的精度。输出信号的稳定性必须具有相同的量级。假定传感器片为10mm长，灵敏度是0.002每10-6RIU变化。虽然在理论预测的灵敏度和实验证明的灵敏度之间有一些差异，但这些差异是由于实验中所使用的耦合技术引起的，该耦合技术无法始终保证激励模式之间适当的振幅比。换而言之，这种差异是工程限制的结果。
本发明进一步提供一种用于检测在局部环境中的确定的化学、生物或物理刺激物中的变化(例如，刺激物的量或浓度)的引入的方法。该方法包括在类似于图1a、1b和1c中所示出的双模光波导干涉仪中进行的下列步骤：
(a)在波导10、20、30、40的上部的局部环境中限定传感器片21、31、41；
(b)在所述传感器片21、31、41中放置化学、生物或物理刺激物或分析物；
(c)引入或引起在所述传感器片21、31、41中的所述化学、生物或物理刺激物中的变化；
(d)将电磁辐射的基模和一阶模耦合到所述光波导10、20、30、40中，使得当两个模式行进通过在波导中限定的传感器片21、31、41时，它们的特性经历相位延迟之类的变化，其取决于所述化学、生物或物理刺激物中的变化；
(e)在所述波导的输出端，测量所述基模的响应相对于所述一阶模的响应；以及
(f)将所述两个模式的相对响应与化学、生物或物理刺激物中的变化相关联。
优选地，步骤(e)包括：
(e1)生成干涉条纹图案；和
(e2)测量干涉图案中的位移。
优选地，步骤(f)包括：
(f1)将干涉图案中的位移与所述确定的化学、生物或物理刺激物中的变化的存在相关联。
总之，提出了具有简单设计的基于双模光波导的干涉仪和生物传感器。
在本文中，术语″包括(comprises)″及其派生词(诸如″comprising″等)不应当被理解为排除性的含义，即，这些术语不应当被解释为排除所描述和限定的可包括另外的元素、步骤等的可能性。
在本发明的上下文中，术语″大约″、″约″、″大致(approximately)″以及″基本上″和同族的术语(诸如″approximate″等)应当被理解为表示与伴随这些术语的那些值非常接近的值。即，与精确值在合理限制内的偏差应当是被接受的，因为本领域技术人员将理解，由于测量不准确等原因，这种示值偏差是不可避免的。
另一方面，本发明显然不限于这里描述的特定实施例，而是还包括本领域技术人员可以想到的在所附权利要求所限定的本发明通常范围内的任何变化(例如，关于材料的选择、尺寸、元件、配置，等等)。

Claims (24)

1.平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，包括：
衬底(8，28，38，48)；
包括沉积在所述衬底(8，28，38，48)上的至少一个层(1，2，3)的双模波导(10，20，20’，30，40)，所述双模波导(10，20，20’，30，40)被设计为支持零阶和一阶横向传播模式，所述横向传播模式具有不同的色散；
位于所述双模波导(10，20，20’，30，40)的上侧的特定区域中的传感器片(21，31，41，51)，所述传感器片(21，31，41，51)被配置用于接收化学、生物或物理输入刺激物，所述刺激物能够改变所述双模波导(10，20，20’，30，40)的有效折射率；
其特征在于，
所述双模波导(10，20，20’，30，40)还包括被设计用于在侧向限制光的限制装置(9)，从而双模波导(10，20，20’，30，40)被设计用于支持一个侧向模式。
2.根据权利要求1所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，包括被配置用于将光导入所述双模波导(10，20，20’，30，40)中的电磁辐射源(4，4’)。
3.根据权利要求2所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述电磁辐射源(4，4’)是激光器。
4.根据权利要求2所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述电磁辐射源集成在衬底(8，28，38，48)的结构中。
5.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，包括偏振装置。
6.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，还包括其它聚焦装置。
7.根据权利要求6所述的平面光波导干涉仪(15，25)，其中所述聚焦装置是透镜(22，52)。
8.根据权利要求7所述的平面光波导干涉仪(15，25)，其中所述透镜(22，52)的中心轴被配置为在横向与双模波导(20，20’)的纵对称轴未对准，从而当将来自源的光通过所述透镜朝双模波导(20，20’)直接聚焦时，在双模波导(20，20’)中激励第一和第二横向传播模式。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的平面光波导干涉仪(35)，包括：
在所述双模波导(30)的一端连接的输入波导(32)，所述输入波导(32)被设计用于在横向和侧向都支持单模；
在所述双模波导(30)的另一端连接的输出波导(33)，所述输出波导(33)被设计用于在横向和侧向都支持单模；
其中所述输入和输出波导(32，33)中的每一个的厚度小于所述双模波导(30)的厚度，从而由于在所述输入波导(32)和所述双模波导(30)的接合处的不对称几何结构，所述单模被分成所述第一和第二横向传播模式。
10.根据权利要求9所述的平面光波导干涉仪(35)，还包括用于将电磁辐射耦合到所述双模波导(30)中的装置，其中所述装置选自由以下项形成的组：端射、直接聚焦、棱镜耦合、和衍射光栅耦合。
11.根据权利要求9或10所述的平面光波导干涉仪(35)，其中耦合到输出波导(33)中的光量取决于在双模波导(30)和输出波导(33)之间的接合处存在的强度分布。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的平面光波导干涉仪(45)，包括被设计用于以不同的入射角(θ0，θ1)将光的一阶和二阶模式耦合到所述双模波导(40)中的耦合装置(42)。
13.根据权利要求12所述的平面光波导干涉仪(45)，其中所述耦合装置(42)是耦合到所述双模波导(40)的输入端的衍射光栅。
14.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述双模波导(10，20，20’，30，40)包括至少两个层。
15.根据权利要求14所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中第一波导层具有第一折射率，第二波导层具有第二折射率，所述第二波导层的折射率低于所述第一波导层的折射率。
16.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述零阶模式的有效折射率和所述一阶模式的有效折射率实质上不同。
17.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述横向传播模式的所述不同的色散取决于基于所述波导参数的传播速度。
18.根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，还包括检测装置(27，27’，37，47)，用于在所述波导输出端测量由于所述输入刺激物引起的辐射强度的变化。
19.根据权利要求18所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)，其中所述检测装置(27，27’，37，47)是两段式光检测器。
20.包括至少一个根据前述任一权利要求所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)的芯片。
21.包括根据权利要求1-19中任一项所述的平面光波导干涉仪(15，25，35，45)的传感器。
22.一种感测方法，包括以下步骤：
(a)在光波导干涉仪(15，25，35，45)的双模波导(10，20，20’，30，40)的特定区域中限定传感器片(21，31，41，51)；
(b)在所述传感器片(21，31，41，51)中放置化学、生物或物理刺激物；
(c)引入或引起放置在所述传感器片(21，31，41，51)中的所述化学、生物或物理刺激物中的变化；
(d)将电磁辐射的零阶模式和另一个一阶模式耦合到所述双模波导(10，20，20’，30，40)中，使得当两个模式行进通过在双模波导(10，20，20’，30，40)中限定的传感器片(21，31，41，51)时，它们经历相位延迟，该相位延迟取决于所述化学、生物或物理刺激物中的变化；
(e)在所述双模波导(10，20，20’，30，40)的输出端，测量所述零阶模式的响应相对于所述一阶模式的响应；以及
(f)将所述两个模式的相对响应与化学、生物或物理刺激物中的变化相关联。
23.根据权利要求22所述的感测方法，其中所述测量所述零阶模式的响应相对于所述一阶模式的响应的步骤包括：
生成干涉条纹图案(11，12，13)；和
测量干涉图案(11，12，13)中的位移。
24.根据权利要求23所述的感测方法，其中所述将所述两个模式的相对响应与化学、生物或物理刺激物中的变化相关联的步骤包括：
将所述干涉图案中的位移与确定的化学、生物或物理刺激物中的变化的存在相关联。
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