CN102565000B - 一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，其特征在于：该器件包括用于输入光信号的输入波导（1），两个输出波导，即第一输出波导（3），第二输出波导（4），多模干涉波导（5），输入波导（1）与第一输出波导（3），第二输出波导（4）之间通过多模干涉波导（5）连接；其中，多模干涉波导（5）为锥形；单波长光信号从输入波导（1）输入，在多模干涉波导（5）区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度。本发明具有结构紧凑、偏振不敏感、带宽高、制作容差性好，具有大的工作范围等特点。

Description

一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器
技术领域
本发明涉及生物/化学物质的精确检测和集成光学传感领域，具体是一种新型的基于硅基槽式波导的多模干涉型生物/化学传感器的结构。
背景技术
生物化学传感器是能够直接提供周围的有关生物、化学物质的种类和浓度信息的传感器，并且从电子计算机、新型材料和微电子处理技术的发展中获得了发展动力，在环境监测、生物技术、医疗诊断、药物筛选、食品安全、环境和安全监控以及其他的一些领域发挥着非常重要的作用。
光学生物/化学传感器分为两大类：标记型，无标记型的传感器。其中标记检测具有成本高、耗时、易干扰等缺点；而无标记型传感器均具有灵敏度高、响应快、实时检测、无标记、小型化易集成等特点，在分子检测、安全监控、生物技术等领域得到广泛的应用。
无标记型生物化学传感器主要有三种，它们分别是基于表面等离子体共振的，基于波导渐逝波的，基于多模干涉型的生物/化学传感器。其中基于前两种的传感器具有体积大、成本高、效率低等缺点，而多模干涉结构天然具有紧凑性、坚固性、容易制作和容差性好等优点，基于硅基槽式波导的多模干涉型结构的提出在光学传感领域是一个创新的贡献。本发明设计的锥形多模干涉器件具有很高的可靠性，在大范围的生物和化学物品的检测方面具有很大的潜在应用价值。另外，由于这种结构灵敏度高、检测限低、小型化和低功耗等优良特性可能会带来潜在的大批量生产降低成本，实现商业化，在实际生活中得到广泛的应用。在此基础上，还可以将光学、流体和电学功能集成在同一平台上以获得实验上的单片微系统，进一步为光学生物化学传感领域开辟新型的道路。
发明内容
技术问题：为了克服现有光学生物/化学传感器存在的不足，本发明提供一种基于硅基槽式波导的多模干涉器件，作为传感器的主要部件。这种传感器具有结构简单、制作容差性好、紧凑便于集成、成本低、检测效率高等优点，可实现大范围的生物和化学物质的检测。
技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，该传感器包括用于输入光信号的输入波导，两个输出波导，即第一输出波导，第二输出波导，多模干涉波导，输入波导与第一输出波导，第二输出波导之间通过多模干涉波导连接；其中，
多模干涉波导为锥形；
单波长光信号从输入波导输入，在多模干涉波导区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度。
优选的，所述传感器的多模波导为二次锥形曲线结构，并且在多模波导区域设有开槽，用于填充检测液体。
有益效果：
1、核心传感部件采用多模干涉波导，制作容差性好、可靠性高，不仅使得器件易于制作、经济成本低廉，而且还能提高器件检测物质的灵敏度和效率。
2、多模干涉波导设计为锥形结构，可实现自镜像长度很大程度的缩小，使得制作的器件更加紧凑、易于集成、适合大规模批量生产。
3、器件的多模波导中引入的检测槽利于制作微流通道，引入低折射率开槽，使得器件更趋于小型化，还适用于大范围的生物/化学物质检测。
4、基于硅基波导，兼容成熟的CMOS加工工艺，能够实现硅基单片集成，在集成光学领域有着巨大的潜力。
附图说明
图1是本发明第一个实例的结构示意图。
图2是本发明第一个实例的横截面示意图。
图3是本发明第一个实例中检测物质折射率为1.483的输出端光场分布图。
图4是本发明第一个实例中检测物质折射率为1.4852的输出端光场分布图。
图5是本发明的第一个实例中测得的在不同检测物质折射率下的归一化输出光功率图。
图6是本发明第二个实例的结构示意图。
图中标号说明如下：
1–输入波导 ，2–开槽 ，3-第一输出波导，4–第二输出波导 ，5–多模干涉波导， 6－第一三等分开槽，7–第二三等分开槽 ，8–检测液体层 ，9–二氧化硅，10–硅衬底，11–硅芯层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1－6，本发明公开了一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，该传感器包括用于输入光信号的输入波导1，两个输出波导，即第一输出波导3，第二输出波导4，多模干涉波导5，输入波导1与第一输出波导3，第二输出波导4之间通过多模干涉波导5连接。
多模干涉波导5为锥形。
单波长光信号从输入波导1输入，在多模干涉波导5区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度。
所述传感器的多模波导5为二次锥形曲线结构，并且在多模波导5区域设有开槽2，用于填充检测液体8。
器件选用多模波导5，偏振不敏感、带宽高、制作容差性好，具有大的工作范围；锥形结构设计，减小器件长度，紧凑性好；用于填充检测物质的开槽2，能大大缩小多模波导的自镜像长度，使器件小型化，同时提高了检测效率。两个输出波导3，4的光功率变化，即可反映出物质（浓度、类别等）的变化情况，灵敏度较高。
基于硅基槽式锥形波导的多模干涉型生物/化学传感器，主要传感器件由一条单模输入波导1、两条对称单模输出波导3，4、中间多模干涉波导5和低折射率开槽2构成，其中多模干涉波导5的形状设计为锥形结构，通过合理设计锥形结构的相关参数能够大大缩小多模干涉器件的自镜像长度，从而使得传感设备更趋于小型化、易集成。设计多模波导符合锥形结构：
其中W0和W1分别是干涉区域在z=0，z=LMMI/2处的宽度，z是光的传输方向，
Figure 2012100054905100002DEST_PATH_IMAGE004
是多模干涉波导5的长度。通过理论推导证明，锥形结构的自镜像长度是我们所熟悉的矩形多模干涉器件自镜像长度的
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，自映
像减小的幅度与波导的宽度等参数有密切关系，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
所述的锥形多模干涉传感器件中引入折射率小于多模干涉区域折射率的槽，则会影响到自镜像长度，使得制作的传感器更加紧凑、小型化。
本发明结构在多模干涉波导中间沿着纵向长度引入一条槽，则波导的自镜像长度会缩小为原来的1/2且并没有表现出不良现象。
本发明结构在多模干涉波导中间沿着纵向长度引入两条槽，则自镜像长度会缩小为原来的1/3且并没有表现出不良现象。
本发明的基于硅基的槽式锥形多模干涉型生物/化学传感器，槽中用来填充需要检测的液体，检测物质一旦发生改变（浓度等），则槽中的折射率也会发生改变，随之引起波导的自镜像长度发生改变，最终导致输出信号的强度差变化，因此具有很好的传感检测功能。而且基于本身结构的优良特性，相比国外研究的基于表面等离子体共振、渐逝波和矩形多模波导结构生物化学传感器，所述结构紧凑、高可靠、制作容差性好，灵敏度也有一定的提高，所述结构非常适合于生物/化学物质的检测。
单波长光信号从第一输入波导1输入，在多模干涉波导5区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度。
所述传感器的多模波导5为二次锥形曲线结构，并且在多模波导5区域设有开槽2，用于填充检测液体8。
开槽2中检测液体的折射率、浓度发生改变，则多模波导的有效折射率也会发生改变，从而影响光在多模干涉波导5的干涉，通过探测两个输出波导3，4的光信号强度变化，即可检测出检测液体的折射率、浓度等变化情况。图3和图4分别对应检测物质折射率为1.483和1.4852的光在传输方向的功率分布图，可见折射率发生微小变化，输出端1200um处光功率发生较大变化，分辨率高。
多模干涉器件具有带宽高、对偏振不敏感、制作容差性好等优点，但是，一般地由于输入输出端口数量以及自映像长度的要求，多模干涉器件的长度值会达到毫米甚至厘米级别，对于制作紧凑型传感器非常不利。所以本发明基于设计方案的理论支持，提出了两种减少器件长度的优化设计：一是增加检测槽的数目；二是将多模干涉设计成锥形结构。
本发明的设计结构非常适合于制作生物/化学传感器，为提高检测器件的精确度和可靠性，本发明采用如下的测量方法：定义输出信号功率差
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中P1是第一输出波导3的输出光功率，相应的P2是第二输出波导4的输出光功率。所以，当检测槽中液体的折射率发生微小变化的时候，可以通过计算来检测开槽2中填充物质的折射率的变化，能够非常准确地检测出物质(浓度、类别等)。如图5所示，开槽2中折射率n从1.484到1.485以0.0002步长变化时两端口的归一化输出功率，所以可以通过计算ΔP来检测槽中填充物质的折射率的变化，并且得到了10-4RIU数量级的分辨率。此方法操作简单、测量精确、可靠性好，非常适合于在生物/化学传感器中进行数据采集和分析。
图6是本发明的第二个实例，在多模干涉波导5中引入两条对称槽6，7，则多模干涉的自镜像长度进一步缩小，制作的传感器也更为小型化，便于集成，而且提高了检测效率。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，其特征在于：该传感器包括用于输入光信号的输入波导（1），两个输出波导，即第一输出波导（3），第二输出波导（4），多模干涉波导（5），输入波导（1）与第一输出波导（3），第二输出波导（4）之间通过多模干涉波导（5）连接；其中，
多模干涉波导（5）为锥形；
单波长光信号从输入波导（1）输入，在多模干涉波导（5）区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度；
所述传感器的多模波导（5）为二次锥形曲线结构，并且在多模波导（5）区域设有开槽（2），用于填充检测液体（8）。
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