CN103487406B - 垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明的垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，SOI基体的单晶硅层包含U型波导和微环谐振腔；所述微环谐振腔位于U型波导的正上方，二者重叠并在U型波导平面的垂直方向耦合。该生化传感芯片在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线非常的尖锐，所以这种传感器除了具有很大的自由光谱范围之外，还具有很高的品质因子。

Description

垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片

技术领域

本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光传感技术领域，特别涉及一种基于垂直耦合的马赫-曾德(MZ)干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片。

背景技术

生化传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，它用于测定特定的化学或生物物质。由于测定这些化学或生物物质在环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义，所以对生化传感器的研究已经显得非常重要。目前典型的光学生化传感器主要可分为荧光标记型光学生化传感器和无标记型光学生化传感器两大类，由相关的文献可知，荧光标记型光学生化传感器虽然已被用于探测和辨别特定的生物化学分子，但却有设备庞大、操作复杂及花费时间长等缺点，且通常需要具有一定专业技术的专人操作，普及成本较高，同时，用于标记的荧光分子还有可能影响样本的探测。相比而言，无标记型光学生化传感器的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不再引入新的干扰，结果也更加可靠。

基于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）的光学生化传感器就是一种无标记型光学生化传感器，同时也正是本领域的研究热点。从现有的基于SOI的光学生化传感器来看，大多采用了倏逝波（消逝波）探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，通过检测所述的光学生化传感器光波导的倏逝波以探测样本生物化学物质。其原理在于待测样本中生物化学物质会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变（表现为光学生化传感器的有效折射率的变化），也即将使样本中的生物化学物质浓度信号转换为光信号变化。目前已用于传感的平面波导结构有马赫泽德干涉计、光栅、以及法布里-伯罗（FP）腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。其中，对基于光学谐振腔结构（如FP腔、环形腔等）的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位(或强度)等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。

目前，在现有的对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术领域中，将基于SOI的片上系统的可小型化的优势和基于MZ干涉效应和微环谐振效应的系统测量精度等优势相结合的实例几乎没有。

发明内容

本发明的目的是为了解决某些生物化学物质的探测问题，在现有技术中主流的基于光学探测的生化传感器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理及单系统探测所存在的倏逝波能量密度低导致探测难度大及单系统测量范围窄、灵敏度不高等问题，提出了一种垂直耦合马赫-曾德(MZ)干涉式光学谐振腔生化传感芯片。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含U型波导和微环谐振腔，U型波导由输入直波导、输出直波导和半圆环形波导耦合组成平面U型结构，微环谐振腔包含至少两段半圆环形波导，所述半圆环形波导耦合组成平面环形结构；所述微环谐振腔位于U型波导的正上方，二者重叠间距为0，并在U型波导平面的垂直方向耦合；

且，U型波导的半圆环形波导与微环谐振腔同侧的半圆形波导构成垂直耦合的MZ干涉结构，并分别作为MZ干涉结构的干涉臂。

进一步的，所述微环谐振腔还包括两段直波导，所述直波导与微环谐振腔的半圆形波导交替耦合组成平面跑道形结构。

进一步的，所述U型波导和微环谐振腔的波导具有相同的厚度。

进一步的，所述U型波导的半圆形波导与微环谐振腔的半圆形波导的半径相同。

本发明的有益效果：本发明的生化传感芯片通过在顶部的单晶硅层形成两个自由光谱范围不同的MZ干涉结构和微环谐振腔，且MZ干涉结构是由U型波导和微环谐振腔的一部分通过垂直耦合构成，微环谐振腔位于U型波导的正上方且通过垂直耦合的方式相连接形成垂直耦合马赫-曾德(MZ)干涉式微环谐振腔传感器，用于检测外界物质对光信号的影响，微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线所调制后的谱线，即经MZ干涉梳状透射谱线调制的微环谐振腔的梳状透射谱线，也就是说整个传感器的透射谱线的包络是类似于MZ干涉器的响应区域，并且，在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线非常的尖锐，所以这种传感器除了具有很大的自由光谱范围之外，还具有很高的品质因子。同时这种垂直耦合（支持TM偏振光传输）结构传感器与水平耦合（支持TE偏振光传输）的传感器相比较而言，由于垂直耦合结构的传感器中存在的是TM偏振光传输，所以传感性能要提高一倍以上，同时降低了对传感解调系统的性能要求，有助于实现高性能低成本的传感系统。另外，这种传感芯片采用光学谐振腔和MZ干涉结构，利用光学谐振腔的谐振效应和MZ干涉效应，使得可以在达到相同传感性能的条件下，大大减小光学生化传感芯片的体积，有利于实现光学生化传感器的微型化与片上传感系统。以SOI材料为基体，可以利用成熟的微电子CMOS加工工艺，使得这种光学生化传感芯片易于大规模批量生产，有利于降低光学生化传感芯片的成本。本光学生化传感芯片既可用于生物大分子（蛋白质或者是DNA）液体样本探测，也可用于气体分子检测。因此，本发明与其他的生化传感芯片相比，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等一系列特点。

附图说明

图1为实施例的传感芯片的结构示意图；

图2为实施例的传感芯片的横截面视图；

图3为实施例的传感芯片输出端口的响应曲线；

图4为本发明的传感芯片构成的生化传感系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

实施例：

如图1、2所示，本实施例的垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层41、二氧化硅层42和单晶硅层43构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层43包含U型波导和微环谐振腔3，U型波导如图1虚线所示，由输入直波导11、输出直波导12和半圆环形波导13耦合组成平面U型结构，微环谐振腔3包含至少两段半圆环形波导31，所述半圆环形波导耦合组成平面环形结构；所述微环谐振腔3位于U型波导的正上方，二者重叠间距为0，并在其平面的垂直方向耦合，耦合区域如图1中21、22所示，耦合区波导为图1中111、121、321、322。并且，U型波导的半圆环形波导与微环谐振腔3同侧的半圆形波导构成垂直耦合的MZ干涉结构，并分别作为MZ干涉结构的干涉臂。优选的，微环谐振腔还包括两段直波导，所述直波导与微环谐振腔的半圆形波导交替耦合组成平面跑道形结构。其中，跑道形波导中直波导的长度可根据具体应用场合而灵活设置，最短可以没有，即长度为0。而作为优选方案，所有的波导的厚度相同。

光学微环谐振腔利用其谐振效应具有选频的作用，同时MZ干涉结构利用干涉效应也具有选频的作用，以上所述的微环谐振腔和MZ干涉结构的不相同的自由光谱范围，目的在于使当前所述的微环谐振腔和MZ干涉结构通过垂直耦合的方式可以借助微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线所调制后的谱线，也就是说整个传感器的透射谱线的包络是类似于MZ干涉器的响应区域，并且，在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线非常的尖锐，从而形成具有很大的自由光谱范围以及具有很高的品质因子和灵敏度的传感芯片，只有那些同时满足微环谐振条件和MZ干涉条件的光波才可以在微环谐振腔中发生谐振并在MZ结构其中一条干涉臂31中传输并与MZ结构的另一条干涉臂13中传输的光发生干涉，实现微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线所调制，输出自由光谱范围很宽且透射峰很尖锐的响应曲线，并且增大光与物质之间相互作用的有效区域，增强光与物质之间相互作用的强度，在器件微小尺寸下，实现高灵敏度的探测；由于基于垂直耦合的MZ干涉式光学微环谐振腔的传感器应用已为传感器技术领域的现有技术，其微环谐振腔和MZ干涉结构的自由波长范围的确定也就成了本领域的普通技术人员的基本常识，可以根据实际需要通过有限实验而确定，故在此不做详述。

在本实施例中，输入输出直波导11、12和微环谐振腔3、半圆形波导13以及由微环谐振腔3的一部分与U型波导13通过垂直耦合的形式构成了MZ干涉结构均刻蚀于单晶Si层的光波导上。微环谐振腔3和MZ干涉结构在本实施例的方案中用于波长的选择，利用光微环谐振腔的谐振效应和MZ的干涉效应，能够在器件微小尺寸条件下实现让光与物质充分接触，提高传感性能。由于本领域的普通技术人员运用现有技术根据微环谐振条件和MZ干涉条件能够较容易地确定微环结构和MZ结构的参数，故在此不作详细描述。另外，在本实施例中微环谐振腔的波导半径为5-6um，耦合区波导321、322长度为0-8um可变，U型波导13的弯曲半径为5-6um，与微环谐振腔的半径大小相等，U型波导两端的直波导长度为8um，且微环谐振腔的中心位于输入输出直波导与U型波导两端直波导的交界处，所有光波导的宽度均为300-600nm，高度均为200-300nm，微环谐振腔位于输入输出直波导和U型波导的正上方，两者之间的垂直间距为0。其中，涉及的微环谐振腔的特征参数等描述为本领域的普通技术人员的公知常识，是本领域默认的清楚的表述方式，将其用于发明方案中技术方案的参数限定自然也是清楚的。

器件制作的工艺流程大致为：首先在一定厚度的单晶硅层(厚度为220nm)上涂上光刻胶，然后结合掩膜版进行曝光，曝光之后进行显影，再进行刻蚀，直接刻蚀到SiO2层为止，即可得到输入直波导11、输出直波导12以及U型波导13，高度为220nm，然后在输入输出直波导以及U型波导这一层生长SiO2材料，将这一层填平，其中生长的SiO2层厚度为220nm，接着在这一层上面生长220nm的单晶硅层，然后在单晶硅层上涂光刻胶，然后结合另一块掩膜版进行曝光，曝光之后进行显影，再进行刻蚀，刻蚀深度为220nm，即可得到微环谐振腔波导3，最后，我们通过氢氟酸去掉中间的SiO2材料，清洗之后即可得到我们上述的传感器，由于该部分的详细工艺流程为本领域的普通技术人员的基本常识，具体参数可以根据实际需要通过有限实验而确定，故在此不做详述。

本实施例的生化传感器主要用于生物大分子如DNA或者蛋白质检测等以及军事上有毒气体或者病毒的检测。下面结合具体应用对本发明的实施例作进一步详述：

应用与检测出未知样本中是否含有某种我们希望检测到的物质或者检测未知样本中含有哪些物质，这要求传感器对不同物质具有的选择性不同，表现为传感器的特异性传感，通常的做法是在传感器的外表面涂敷一层生物敏感材料，当某种具有特异性的生物大分子随流体样本进入到传感器流体通道中并流过传感芯片时，该生物大分子就会与传感芯片表面的敏感材料发生亲和反应，使传感芯片的表面特性发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过数据处理显示出这一变化，可以推断出待测样本中是否含有某种我们想要探测的待测物质或者是样本中含有那些物质；

应用于已知待测样本中含有某种物质，现在想测量样本中这种物质的浓度是多少，这种情况下，我们首先配置一份标准溶液作为参考，让标准溶液流过传感器的上表层，信号光从上方的光波导11的端口输入进去，当信号光同时满足微环谐振条件和MZ干涉条件的话，那么信号光一部分将通过耦合区波导21耦合进微环谐振腔中，并在微环谐振腔中发生谐振，同时信号光的另外一部分将进入MZ干涉结构的干涉臂13传输，在MZ干涉结构干涉臂13中的信号光传输一段距离之后将与在微环谐振腔中传输的信号光在耦合区22发生干涉，从而增加了光和物质之间相互作用的长度以及增强了光和物质之间相互作用的强度，之后通过直波导12并输出。对于那些同时满足微环谐振条件和MZ干涉条件波长的信号光，在输出波导12口将得到很尖锐的谐振峰，消光比很高，对于那些只满足微环谐振条件而不满足干涉加强条件的信号光将会被MZ干涉透射谱线的包络所调制，输出谐振峰的消光比将极大的降低，对于那些既不满足微环谐振条件而不满足干涉加强条件的信号光将直接从12口输出。

采用的两个具有不同的自由光谱范围谐振腔耦合的形式，如图3，整个传感芯片输出响应曲线51的自由光谱范围是MZ干涉结构的自由光谱范围（如图3中的包络52部分的相邻峰值之间的距离），微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线52所调制，即经MZ干涉梳状透射谱线调制的微环谐振腔的梳状透射谱线，也就是说整个传感器的透射谱线的包络52是类似于MZ干涉器的响应区域，并且，在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线53非常的尖锐，所以这种传感器具有除了具有很大的自由光谱范围之外，还具有很高的品质因子。同时这种垂直耦合（支持TM偏振光传输）结构传感器与水平耦合（支持TE偏振光传输）的传感器相比较而言，由于垂直耦合结构的传感器中存在的是TM偏振光传输，所以这种垂直耦合结构传感器的传感性能要提高一倍以上，从而我们可以实现高品质因子，大自由光谱范围，高灵敏度的探测。光电探测器探测输出光信号的强度大小，并转换为光电流，经过信号处理电路，可以求出相应的谐振波长的大小；然后让一定量的待测溶液流过传感器件的上表层，由于溶液的浓度发生了变化，传感芯片的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过测量输出波导端口的光信号并加以数据处理可以得到输出光信号的频谱图，进而得到漂移后的谐振峰的位置以及相应谐振波长，根据谐振波长漂移量的相对大小，我们可以确定待分析物中某种物质的浓度大小，从而实现传感器如期的功能。

图4所示为基于本发明的实施例的光学谐振腔生化传感芯片（图示为光子传感器芯片）的生化传感系统原理图，包括传感器芯片（光子传感器芯片）、光电探测器、激光器、温度控制器及计算机控制部分，同时还包括控制被测液体输入的微泵和注入阀门，待分析物通过注入阀门进入传感芯片，流经传感芯片后作为废液被收集起来。以下将通过对本传感系统的工作过程进行详述，以便本发明的光学谐振腔生化传感芯片的原理及作用能被更好的理解：该传感系统工作时（结合实施分析），首先信号光从激光器中发射出来，通过光耦合器进入到传感芯片中，为了避免温度对传感器的性能的影响，在传感器周围安装有温度控制器，用来对传感器加热或者是制冷（温度监控）。当信号光在传感器中传输时，当那些满足微环谐振条件和MZ干涉条件的光波通过垂直耦合进微环谐振腔中发生微环谐振以及在微环谐振腔和U型波导构成的MZ干涉结构中发生干涉，从而增大光与物质之间相互作用的有效区域，增强光与物质之间相互作用的强度，之后通过耦合区波导耦合到输出端口形成峰值非常尖锐，自由光谱范围很宽的输出响应谱线。同时，在这种传感芯片的输出光谱中，相邻两个主峰的距离（自由光谱范围）是MZ干涉结构的自由光谱范围，同时微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线所调制后的谱线，即经MZ干涉梳状透射谱线调制的微环谐振腔的梳状透射谱线，并且，在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线非常的尖锐，所以这种传感器具有除了具有很大的自由光谱范围之外，还具有很高的品质因子。同时这种垂直耦合（支持TM偏振光传输）结构传感器与水平耦合（支持TE偏振光传输）的传感器相比较而言，由于垂直耦合结构的传感器中存在的是TM偏振光传输，所以这种垂直耦合结构传感器的传感性能要提高一倍以上。当待分析物样品通过微泵注入到微流体通道，并达到传感器芯片的上包层时，样品会使得传感器周围环境发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器输出端口的谐振峰会发生漂移，我们通过在传感器输出端口的光电探测器来测量这一变化，并将光场强度的数据送到计算机中进行处理，将计算的结果与计算机中各物质组成的数据库信息进行比对，我们可以得出被测量物的相关信息，从而实现传感功能。

此外，基于MZ干涉式的微环谐振腔的光学生化传感器是在近年来被逐渐提出的，这种传感器是利用两个具有不同自由光谱范围的传感子系统，组成一个新的传感系统。这种新的传感系统的工作原理是：MZ干涉结构中两条干涉臂中传输光的光程差满足干涉加强条件时，两束光之间将发生干涉，此时在两条干涉臂的输出端口可得到一组具有准自由光谱范围FSR1（这与MZ干涉的本身原理有关：MZ干涉的梳状透射谱线不像微环谐振腔的透射谱线那种具有严格的等周期特性，在MZ干涉透射谱中随着波长最大，相邻两个峰值之间的距离在逐渐缓慢的变大，因此称之为准自由光谱范围）的梳状透射谱线。同时，满足微环谐振条件的光信号通过在微环中发生谐振效应，在输出波导的端口也可得到一组具有自由光谱范围FSR2的梳状透射谱线，且FSR1=N*FSR2（N>1,且为整数），由于在本传感器中，微环谐振和MZ干涉同时存在，且它们之间在垂直方向相互耦合，因此，在传感器的输出端口得到的实际透射谱线是：微环谐振腔的梳状透射谱线被MZ干涉形成的梳状透射谱线所调制后的谱线，即经MZ干涉梳状透射谱线调制的微环谐振腔的梳状透射谱线，也就是说整个传感器的透射谱线的包络是类似于MZ干涉器的响应区域，而这种传感器响应曲线中的峰值之间的间距则近似于单个微环谐振腔的响应曲线，但是微环谐振腔的梳状透射谱线中除了与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰作为主峰的幅度几乎不变之外，其余的微环谐振腔的梳状透射谱线中的谐振峰将因为MZ干涉梳状透射谱线调制而使得幅值下降，并且，在微环谐振腔的梳状透射谱线中与MZ干涉梳状透射谱线峰值相对应的谐振峰由于调制的作用将使得该透射谱线非常的尖锐，所以这种传感器具有除了具有很大的自由光谱范围之外，还具有很高的品质因子，属于一种高性能的传感器。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。

Claims (4)

1.垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含U型波导和微环谐振腔，U型波导由输入直波导、输出直波导和半圆环形波导耦合组成平面U型结构，微环谐振腔包含至少两段半圆环形波导，所述半圆环形波导耦合组成平面环形结构；所述微环谐振腔的波导半径为5-6um，所述微环谐振腔的半圆环形波导的弯曲半径为5-6um，所述微环谐振腔与U型波导耦合区域的波导长度为0-8um可变，且所述微环谐振腔的中心位于U型波导输入输出直波导与半圆环形波导两端直波导的交界处；所述微环谐振腔位于U型波导的正上方，二者重叠间距为0，并在U型波导平面的垂直方向耦合；

且，U型波导的半圆环形波导与微环谐振腔同侧的半圆形波导构成垂直耦合的MZ干涉结构，并分别作为MZ干涉结构的干涉臂，所述微环谐振腔和MZ干涉结构具有不相同的自由光谱范围。

2.根据权利要求1所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述微环谐振腔还包括两段直波导，所述直波导与微环谐振腔的半圆形波导交替耦合组成平面跑道形结构。

3.根据权利要求2所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述U型波导和微环谐振腔的波导具有相同的厚度。

4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述U型波导的半圆形波导与微环谐振腔的半圆形波导的半径相同。