CN104007085A - 一种基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，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基体，在所述基体上的单晶硅层中间刻蚀出狭缝槽，并由所述狭缝槽和其两侧的条形硅波导构成狭缝光波导，在所述狭缝光波导的光信号传播路径上刻蚀第一和第二光子晶体镜面，所述光子晶体镜面刻蚀于狭缝光波导两侧的条形硅波导上，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面相隔一定距离，并在狭缝光波导上形成光子晶体谐振腔。本发明探测芯片利用光子晶体本身的色散补偿效应，在大规模远程分布式探测中实现高性能检测，从而避免了色散等因素对检测性能的干扰。

Description

一种基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片

技术领域

本发明涉及光学探测技术，特别是涉及一种基于绝缘衬底上的硅的光子晶体谐振腔高性能光学探测芯片。

背景技术

生化探测器常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食品安全、环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义，所以对生化探测器的研究已经显得非常重要。目前典型的光学生化探测器主要可分为荧光标记型光学生化探测器和无标记型光学生化探测器两大类，由相关文献可知，荧光标记型光学生化探测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，无标记型光学生化探测器的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不会再引入新的干扰，结果也更加可靠。

基于绝缘衬底上的硅的光学生化探测器是一种无标记型光学生化探测器，同时也正是本领域的研究热点。从现有的基于绝缘衬底上的硅的光学生化探测器来看，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，又叫消逝波，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探测器的光波导的倏逝波以探测样本生物化学分子。其原理在于待测样本中生物化学分子会引起光学生化探测器中光波传输性质的改变（表现为光学生化探测器的倏逝场发生变化），也即将样本中的生物化学分子浓度信号转换为光信号变化。目前光学生化探测器的光波导结构有马赫泽德干涉计、光栅、以及法布里-伯罗腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。对基于光学谐振腔结构（如法布里-伯罗腔，环形腔等）的光学生化探测器而言，谐振效应的引入可使光信号在光学谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化探测器探测长度的增加，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探测器上达到较好的探测性能，另外小尺寸的光学生化探测器也便于光学生化探测器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。

当前，基于谐振效应的光学生化探测器可以做得非常微小，并且表现出很好的探测性能，但是分布于光学生化探测器光波导周围的倏逝波的能量密度较低，故仍存在灵敏度较低的缺陷。如何在现有技术中主流的基于光学探测的生化探测器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理所存在的由于其被探测的倏逝波分布于器件光波导周围并存在能量密度低导致探测难度大的缺陷，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于光子晶体谐振腔的高性能光学探测芯片。利用光子晶体的禁带特性及形成的FP腔结构实现了物质的探测，另外利用光子晶体本身的色散补偿效应，在大规模远程分布式探测中实现高性能检测，避免色散等因素对检测性能的干扰。

本发明所采用的技术方案：

一种基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，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基体，在所述基体上的单晶硅层中间刻蚀出狭缝槽，并由所述狭缝槽和其两侧的条形硅波导构成狭缝光波导，在所述狭缝光波导的光信号传播路径上刻蚀第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面均刻蚀于狭缝光波导两侧的条形硅波导上，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面相隔一定的距离，并在狭缝光波导上形成光子晶体谐振腔。

所述的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，第一光子晶体镜面或/和第二光子晶体镜面均包括不少于12个不多于16个光子晶体周期单元，所述光子晶体周期单元为刻蚀在单晶硅层的圆孔。

所述光子晶体周期单元的直径为50nm～80nm；相邻两个光子晶体周期单元之间纵向方向的最小间距为30nm～50nm；相邻两个光子晶体周期单元之间水平方向的最小间距为100nm～150nm。

所述狭缝光波导的狭缝槽为直狭缝槽；所述狭缝槽为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝；狭缝深度为单晶硅层厚度。

所述基体俯视方向为长方形，所述狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝两侧硅波导的宽度均为330～350nm；狭缝槽宽度为100～120nm。

本发明的有益效果：

1、本发明基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，通过引入了狭缝波导增强分布于器件光波导周围的倏逝波能量密度来提高器件的灵敏度等性能，还通过利用光子晶体的禁带特性形成光子晶体镜面，并通过两个光子晶体镜面构成一个微型谐振腔，这种新型的结构应用到光子探测领域，在保证器件高探测性能的基础上，有利于实现微纳光子器件的集成化，最终实现片上探测，因此这种基于光子晶体谐振腔的光学探测器可实现高灵敏度、大探测范围、高消光比、微型化、集成化的光子探测。

2、本发明基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，将光子晶体结构引用到探测芯片中，利用光子晶体高的色散系数，可以有效的补偿光信号在传输线路中产生的色散，从而不仅提高了探测芯片对待测物质的测量精度和准确度，同时也可以增加分布式传感的有效距离，同时利用光子晶体高的非线性系数也可以进一步提高这种基于绝缘衬底上的硅的狭缝光波导光子晶体谐振腔光学生化探测芯片在分布式探测中对物质检测的准确度。光子晶体本身具有如下特点：可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输，高的非线性系数，高的色散系数，用于系统的色散补偿等。通过将光子晶体应用到光子探测器中将使得探测芯片及相关系统的性能获得如下提升：在分布式大规模探测系统中，光子传感芯片作为探测的终端被安置于各个地点，通过收发光纤分别于光源和光电探测器相连，由于传输的线路比较远，且传输介质存在色散，光信号在线路中传输将因为色散导致脉冲展开等，进而影响到探测系统的传感质量。

3、本发明基于绝缘衬底上的硅的狭缝光波导光子晶体谐振腔光学生化探测芯片，与其他生化探测芯片相比，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、探测性能优良及适用范围广和便于实现高性能分布式探测等一系列特点。通过在顶部的单晶硅层形成光子晶体谐振腔检测外界物质对光信号的影响，同时引入狭缝光波导结构，由于狭缝波导能够将光极大的限制在狭缝区域，从而有效增强了光和物质之间的相互作用，使光信号的检测从传统的倏逝场转向狭缝空间，其优势在于狭缝空间中的光能量密度远大于倏逝场中光能量的密度，光与物质相互作用更强，使检测灵敏度更高，检测难度进一步降低。另外，这种光学生化探测芯片采用光子晶体谐振腔结构，利用光子晶体形成的腔面反射镜特性和光学谐振腔的谐振效应，使得可以在达到相同探测性能的条件下，大大减小光学生化探测芯片的体积，有利于实现生化探测器的微型化与片上探测系统。以绝缘衬底上的硅材料为基体，可以利用成熟的微电子加工工艺，使得这种光学生化探测芯片易于大规模批量生产，有利于降低光学生化探测芯片的成本。本光学生化探测芯片既可以用于生物大分子（蛋白质或者DNA）液体样本探测，也可以用于气体分子的检测。

附图说明

图1为本发明生化探测芯片单晶硅层的水平截面示意图；

图2为图1虚线处整个生化探测芯片的竖直截面示意图；

图3为不同NaCl溶液折射率下对应的生化探测芯片谐振波长的线性拟合；

图4为本发明的生化探测芯片构成的生化探测系统结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1、图2，本实施例的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层1、二氧化硅层2和单晶硅层3构成的基体，在所述基体上的单晶硅层3中间刻蚀出狭缝槽32，并由所述狭缝槽32和其左、右两侧的条形硅波导31、33构成狭缝光波导，在所述狭缝光波导的光信号传播路径上刻蚀第一光子晶体镜面341和第二光子晶体镜面342（两侧虚线框内的波导部分），第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面均刻蚀于狭缝光波导两侧的条形硅波导上，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面相隔一定距离，并在狭缝光波导上形成光子晶体FP谐振腔35（中间虚线框内的狭缝波导部分）。

实施例2

参见图1、图2，本实施例的基于绝缘衬底上的硅的狭缝光波导光子晶体谐振腔光学生化探测芯片，与实施例1不同的是，进一步的，第一光子晶体镜面或/和第二光子晶体镜面均包括不少于12个不多于16个光子晶体周期单元34，光子晶体周期单元为刻蚀在单晶硅层的圆孔。

狭缝光波导的光传播路径上包含光子晶体FP谐振腔35，用于使沿狭缝光波导传播的光产生谐振。为了便于工艺制作及保证狭缝光波导的光学传输性能，上述狭缝光波导的狭缝为直狭缝槽；该狭缝光波导垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成。其刻蚀方法可以使用电子束曝光并通过RIE（反应离子刻蚀）刻蚀工艺在绝缘衬底上的硅的单晶硅材料上刻蚀得到，所述的狭缝光波导的狭缝槽深度为单晶硅层厚度。

狭缝槽在这里的目的是使信号光集中在狭缝中传播，使光信号的能量密度更大，便于分析检测，同时另一个目的是通过增大被测物质与光学生化探测器的接触面积来提高探测芯片的灵敏度等性能。

本发明基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，光子晶体周期单元的直径为50nm～80nm；相邻两个光子晶体周期单元之间纵向方向的最小间距为30nm～50nm；相邻两个光子晶体周期单元之间水平方向的最小间距（指相邻两个光子晶体周期单元的中心间距）为100nm～150nm。

实施例3

如图1和图2所示，本实施例的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，基体俯视方向为长方形，狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝两侧硅波导的宽度均为330～350nm；狭缝槽宽度为100～120nm。

实施例4

参见图1-图4，本实施例的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，硅基层1的厚度为8μm，二氧化硅层2的厚度为2μm，单晶硅层厚度为220nm，所述狭缝槽位于探测芯片长度方向的中心轴线上，其中狭缝槽宽度为100nm，狭缝槽两侧的硅波导宽度为340nm。

狭缝光波导中的狭缝槽即为光信号的传播路径，在该路径上包括光子晶体谐振腔。第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面结构相同并相隔一定的距离，且在狭缝光波导上形成光子晶体谐振腔，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面之间的距离和光子晶体周期单元的参数由光子晶体的禁带特性以及光子晶体谐振腔的谐振条件共同决定。

光子晶体镜面谐振腔在本发明方案中用于波长的选择，利用光子晶体谐振腔的谐振效应，能够让满足谐振条件的光在谐振腔中来回震荡，确保在器件微小尺寸条件下实现让光与物质的充分接触，提高探测性能。

由于本领域的普通技术人员运用现有技术根据使用的光源频段及目标参数能够较容易地确定距离d和光子晶体周期单元参数，故在此不作详细描述。在本实施例中，光子晶体周期单元的直径取为60nm，两个光子晶体周期单元之间竖直方向的最小间距为30nm，竖直方向光子晶体周期单元个数为3个，两个光子晶体周期单元之间水平方向的最小间距为80nm，水平方向光子晶体周期单元个数为16个。光子晶体周期单元中被刻蚀圆孔的深度为220nm，等于单晶硅层厚度。

本实施例中由于狭缝光波导能够将谐振腔中的光极大的限制在狭缝区域，同时FP谐振腔能够使光在谐振腔中来回震荡，增加光与物质相互作用的强度和有效长度，从而提高光和狭缝区域中的流体物质之间的相互作用，使得器件的灵敏度提高。

生化探测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。应用于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，这要求探测器对不同物质具有的选择性不同，表现为探测器的特异性探测，通常做法是在探测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探测器流体通道中并流过探测芯片时，该生物大分子就会与探测芯片表面的敏感材料发生亲和反应，使探测芯片的表面特性发生变化，导致探测器的有效折射率变化，进而使得探测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想要探测的待测物质或者是样本中含有哪些物质；这种器件可以实现对DNA、蛋白质等大分子的探测，也可以用于血糖浓度、NaCl溶液浓度的检测。

如图3所示是不同NaCl溶液折射率下对应实施例探测器谐振波长的线性拟合。从图中关系不难看出，本实施例的探测芯片能够将NaCl溶液的浓度大小通过输出光信号的波长位置及强度对应并通过检测系统检测而表现出来。图4所示为基于本发明的生化探测芯片的生化探测系统结构示意图，包括探测器芯片、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探测芯片，流经探测芯片后作为废液被收集起来。

以下将通过对本探测系统的工作过程进行详述，以便本发明的生化探测芯片的原理及作用能被更好的理解：该探测系统工作时，首先信号光从激光器中发射出来，通过光耦合器进入到探测芯片中，为了避免温度对探测器性能的影响，在探测器的狭缝光波导中安装了温度控制器，用来对探测器加热或者是制冷（温度监控）。当信号光在探测器中传输时，满足光子晶体禁带特性条件的光几乎都被反射回去，但我们这里设计的光子晶体镜面是弱反射光子晶体镜面，即满足光子晶体禁带条件的光只有部分被反射回去，另外一部分仍然可以透射过去并进入到谐振腔中，进入到谐振腔中的那部分满足光子晶体禁带特性的光将会被第二个光子晶体镜面继续反射回去，被第二个光子晶体镜面反射的光将会与重新透过被第一个光子晶体镜面进入到谐振腔中的那部分满足相位相干条件的光发生干涉，由于两个光子晶体镜面形成了谐振腔，所以入射光与反射光会在光子晶体腔中发生加强干涉，来回震荡，从而在输出端透射窗口形成一系列的谐振峰。当待分析物样品通过微泵注入到微流体通道，并达到探测器芯片的上包层时，样品会使得探测器周围环境发生变化，导致探测器的有效折射率变化，进而使得探测器输出端口的谐振峰会发生漂移，我们通过在探测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，可以得出被测量物的相关信息，从而实现探测功能。

Claims (5)

1.一种基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，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基体，其特征是：在所述基体上的单晶硅层中间刻蚀出狭缝槽，并由所述狭缝槽和其两侧的条形硅波导构成狭缝光波导，在所述狭缝光波导的光信号传播路径上刻蚀第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面均刻蚀于狭缝光波导两侧的条形硅波导上，第一光子晶体镜面和第二光子晶体镜面相隔一定距离，并在狭缝光波导上形成光子晶体谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，其特征是：第一光子晶体镜面或/和第二光子晶体镜面均包括不少于12个不多于16个光子晶体周期单元，所述光子晶体周期单元为刻蚀在单晶硅层的圆孔。

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，其特征是：所述光子晶体周期单元的直径为50nm～80nm；相邻两个光子晶体周期单元之间纵向方向的最小间距为30nm～50nm；相邻两个光子晶体周期单元之间水平方向的最小间距为100nm～150nm。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，其特征是：所述狭缝光波导的狭缝槽为直狭缝槽；所述狭缝槽为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝；狭缝深度为单晶硅层厚度。

5.根据权利要求4所述的基于光子晶体谐振腔的光学生化探测芯片，其特征是：所述基体俯视方向为长方形，所述狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝两侧硅波导的宽度均为330～350nm；狭缝槽宽度为100～120nm。