CN105209883A - 用于对分析物进行分析的折射率传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于对分析物进行分析的折射率传感器，该传感器包括：带状波导，用于接收在带状波导中的输入光信号并将光信号传输至用于对分析物进行分析的检测器，其中，光信号在传播通过带状波导时受到操纵；以及槽状波导，用于感测放置在槽状波导上的分析物，并从带状波导接收感测信号，其中，感测信号与光信号的处理相对应，其中，光栅形成在带状波导的表面上，以使得能够将感测信号从带状波导耦合至槽状波导，并且传感器基于槽状波导和带状波导之间的灵敏度差和/或槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。

Description

用于对分析物进行分析的折射率传感器及其制造方法

技术领域

本发明大体涉及诸如在生化分析中用于对分析物进行分析的折射率传感器、制造该折射率传感器的方法，更具体地，涉及高灵敏度折射率传感器。

背景技术

光学折射率(RI)传感器已经被广泛研究用于多种应用，并在生化分析中起到重要作用。在现有的生化RI传感器中，人们对那些基于集成的光学波导的传感器由于其高灵敏度、小尺寸和高度集成而感兴趣。最近，由于在亚波长尺度低折射率区域(槽状区域)中提供高光强的能力，基于某些类型的槽状波导的RI传感器引起人们的兴趣。相比传统带状波导，利用这样的槽状波导可以在槽状区域中获得更大的光-分析物相互作用，并因此获得更高的灵敏度。到目前为止，已经报道了基于环形谐振器、马赫-曾德尔干涉仪、布拉格光栅以及定向耦合器的槽状波导传感器。该报道的槽状波导环形谐振器传感器可以表现出的灵敏度比基于传统带状波导的环形谐振器的灵敏度大大约两倍(大约212nm/RIU(折射率单位))。

但是，进一步增强RI传感器的灵敏度以提供它的分析物检测/测量能力，从而例如以非常低的检测阈值检测/测量生物分子将是有益的。另外，由于大多数生物相互作用的复杂性质，提供一种能够进行波长多路复用测量的RI传感器也将是有益的。

因此，需要提供一种用于对分析物进行分析的高灵敏度并且优选地能够进行波长多路复用测量的折射率(RI)传感器。针对于此背景，开发出本发明。

发明内容

本发明寻求克服或至少改善上述现有技术的一个或多个缺陷，或向消费者提供有用的或商业的选择。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对分析物进行分析的折射率传感器，所述传感器包括：

带状波导，用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵；以及

槽状波导，用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

其中，光栅形成在所述带状波导的表面上，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

所述传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。

优选地，所述传感器还包括基底，其中，所述带状波导和所述槽状波导被设置在所述基板上以隔开并大体上互相平行。

优选地，所述感测信号为光信号的形式，并且所述光栅具有被配置为将光信号在特定共振波长处从所述带状波导耦合至所述槽状波导的光栅周期。

优选地，所述槽状波导具有根据被放置在所述槽状波导上的所述分析物而受到改变的模式折射率，所述模式折射率的改变导致从所述带状波导被耦合至所述槽状波导的所述光信号的所述特定共振波长的移位，从而使得能够根据所述特定共振波长的移位对所述分析物进行分析。

优选地，所述传感器配置为以使得其灵敏度(S)根据以下等式确定：

$S={\mathrm{\λ}}_0\frac{\mathrm{\ΔS}}{\mathrm{\Δ}{N}_g}$

其中，λ₀为所述光信号的所述特定共振波长，ΔS为所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差，ΔNg为所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率差。

优选地，所述传感器配置为以使得所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差增大，和/或所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率降低。

优选地，所述带状波导被隔离以降低其灵敏度，从而增大所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差。

优选地，所述带状波导被由SiO₂制成的隔离层封闭以将所述带状波导与所述分析物隔离。

在另一个实施方式中，所述带状波导被由聚合物材料制成的隔离层封闭以将所述带状波导与所述分析物隔离。

优选地，所述聚合物材料具有热光系数，所述热光系数被选择用于补偿所述传感器的正温度相关性或负温度相关性，以降低所述传感器的温度相关性。

优选地，所述聚合物材料由WIR30-490或SU-8制成。

优选地，所述带状波导的宽度被配置为约600nm至约1000nm。

优选地，所述槽状波导的一个或多个参数被配置为增大所述槽状波导的灵敏度，从而增大所述槽状波导和所属带状波导之间的所述灵敏度差，其中，所述一个或多个参数包括所述槽状波导的宽度和/或所述槽状波导的间隙的宽度。

优选地，配置所述槽状波导以使得所述槽状波导的宽度增大，和/或所述间隙的宽度降低。

优选地，所述槽状波导的所述宽度处于约350nm至约550nm的范围内，并且所述间隙的所述宽度处于约50nm至约300nm的范围内。

优选地，彼此分离的多个光栅形成在所述带状波导的表面上，每个光栅具有被配置为在各自的共振波长处将所述感测信号耦合至所述槽状波导的不同光栅周期，从而使得能够进行波长多路复用测量。

优选地，所述槽状波导和/或所述带状波导由氮化硅(Si₃N₄)制成。

根据本发明的第二方面，提供一种制造用于对分析物进行分析的折射率传感器的方法，该方法包括：

形成带状波导，所述带状波导用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵；以及

形成槽状波导，所述槽状波导用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

其中，所述方法还包括在所述带状波导的表面形成光栅，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

基于在所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差，将所述传感器配置为具有增强的灵敏度。

根据本发明的第三方面，提供一种用于对分析物进行分析的折射率传感器装置，该传感器装置包括：

折射率传感器，包括带状波导和槽状波导；

光源，用于向所述带状波导输出光信号；以及

检测器，用于从所述带状波导接收所述光信号以对所述分析物进行分析，

其中，所述带状波导被配置为接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵，

所述槽状波导被配置为感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

光栅形成在所述带状波导的表面上，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

所述折射率传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。

优选地，所述折射率传感器装置还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于从所述光源接收所述光信号，并向所述带状波导输出TE偏振光信号。

附图简要说明

结合以下附图并仅通过举例的方式，根据以下的描述，本发明的实施方式对于本领域技术人员将被更好地理解并显而易见，其中：

图1A示出根据本发明示例性实施方式的RI传感器的示意性立体图；

图1B示出RI传感器的示意性剖视图；

图2说明从带状波导向槽状波导的感测信号的耦合，并示出在两个波导的输出处的透射光谱；

图3A和3B分别示出用于具有示例性参数的传感器的带状波导和槽状波导的场分布；

图3C曲线图示出了两个波导的模式折射率N_eff和两个波导104、112之间的模式折射率差ΔN_eff作为波长λ的函数的相关性；

图3D描绘的曲线图示出了两个波导的模式折射率N_eff和两个波导104、112之间的模式折射率差ΔN_eff作为外部折射率n_ex的相关性；

图4描述根据本发明另一实施方式的传感器的示意性剖视图，其中，带状波导被隔离；

图5A至5C示出了相对于带状波导的宽度W_s、槽状波导管的间隙124的宽度g和肋高t两个传感器(即，进行隔离和未进行隔离)的灵敏度；

图6描述耦合系数和达到кL＝π/2所需的对应的光栅长度的变化，该耦合系数和对应的光栅长度的变化作为对于间距s的三个示例性值的蚀刻深度的函数；

图7A和7B分别示出了外部折射率n_ex的值不同的两个传感器(即，未进行隔离和进行隔离)的透射光谱；

图7C说明共振波长λ₀对外部折射率n_ex的线性相关度；

图8A示出用于降低传感器的温度相关性的、根据本发明又一个实施方式的传感器的示意性剖视图；

图8B示出了对图1B、图4和图8中的传感器在带状波导宽度的不同值下共振波长的温度相关性；

图9示出根据本发明的实施方式的传感器，其被配置为可以进行波长多路复用测量；

图10示出根据本发明的实施方式的用于对分析物进行分析的折射率传感器装置；以及

图11示出大致说明根据本发明的实施方式制造用于对分析物进行分析的折射率传感器的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式寻求提供一种对分析物进行分析的高灵敏度折射率(RI)传感器和制造该折射率传感器的方法。下面将详细描述根据本发明的示例性实施方式的RI传感器。

图1A描述根据本发明示例性实施方式的RI传感器100的示意性立体图，图1B描述其示意性剖视图。如图所示，用于对分析物进行分析(诸如在生化分析中)的传感器100包括带状波导104，该带状波导104用于接收在其中的输入光信号并将该光信号(在传播通过带状波导104时受到操纵)传送至用于对分析物108进行分析的检测器。例如，如图10所示，输入光信号可以为来自宽带光源1004的宽带光，并且检测器可以为光谱分析仪(OSA)1008。在带状波导104的一端(例如，输入端)105从光源1004接收输入光信号，并在带状波导104的另一端(例如，输出端)106输出。传感器100还包括槽状波导112，该槽状波导112用于感测放置在其上的分析物108并用于从带状波导104接收传感测信号，该感测信号与上述光信号的操纵相对应。使用这种配置，槽状波导112的功能为感测波导，而带状波导104的功能为用于光信号的信号波导。

在实践中，分析物108可以设置在大致由图1A中虚线区域表示的感测区域113中，且优选地设置在与带状波导104的光栅部分116(下文描述)相对的槽状波导112的部分115上。在图1A和图1B中的示例性实施方式中，在图1B中示出了分析物108在感测区域113中被设置在带状波导104和槽状波导112上或覆盖带状波导104和槽状波导112。但是，因为槽状波导112的功能为感测波导，所以不需要也不必须将分析物设置在带状波导104上。

传感器100优选地还包括基底114，带状波导104与槽状波导112并排置于基板114上。更具体地，带状波导104和槽状波导112隔开距离s(参见图1B)，且彼此大体上平行。

在示例性实施方式中，光栅116形成在带状波导104的表面118上，以便能够将感测信号从带状波导104耦合至槽状波导112。图2示意性地说明这种感测信号的耦合。上述感测信号为光信号的形式，且光栅116具有被配置为在特定共振波长λ₀处将光信号从带状波导104耦合至槽状波导112的光栅周期Λ。而且，传感器100被配置为具有增强的灵敏度，该增强的灵敏度基于带状波导112和槽状波导104之间的灵敏度差ΔS，和/或带状波导112和槽状波导104之间的群折射率差ΔN_g。这将在下文进一步详细描述。

槽状波导112包括由低折射率区域(即，槽或缝)124分开的、具有高折射率的两个平行带(或轨道)122。如图1B所示，带状波导104具有宽度W，槽状波导112具有宽度W_s，并且缝124具有宽度g。带状波导104和槽状波导112可以具有相同的高度h和肋高t。出于清楚和说明的目的，下文的示例性实施方式中描述为，带状波导104和槽状波导112由氮化硅制成(Si₃N₄)，基底114由SiO₂制成。本领域技术人员应当理解，波导104、112和基底114并不限于上述材料，其它合适的/适当的材料也在本发明的范围之内。例如，带状波导104和槽状波导112可替代为由硅(Si)或高折射率的聚合物制成。本领域技术人员应理解，如果使用不同的材料，则传感器100的上述设计参数(例如，g、W、W_s、s等)可能也必须相应地调整。在图1B中，Si₃N₄、SiO₂、以及外部介质(分析物)108的折射率分别表示为n_Si3N4、n_SiO2以及n_ex。

如图1A所示，光栅116形成在带状波导104的上表面118上。如果没有光栅116则不会在带状波导104和槽状波导116之间产生光耦合，这是因为它们相位不同步(即，它们具有不同的传播常数)。在示例性实施方式中，相位同步通过形成在带状波导104的上表面118上的光栅116实现。在这方面，通过预定的光栅周期Λ，在满足以下相位匹配条件的特定波长(共振波长λ₀)下获得从带状波导104至槽状波导112的光功率传输：

${\mathrm{\λ}}_0=(N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{strip}}-N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{slot}})\mathrm{\Λ}=\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ},---\left(1\right)$

其中，和分别为带状波导104和槽状波导112的模式折射率。因此，根据等式(1)，光栅耦合器116是波长选择性的。如图2所示，当宽带光204进入带状波导104时，在共振波长λ₀的光被耦合至槽状波导112。这在进入的带状波导104中产生带阻光谱208(中心波长为λ₀)，而在相邻的槽状波导112中产生带通光谱212(中心波长为λ₀)。图2示出了作为具有预定光栅周期Λ的光栅耦合器116的结果的、在两个波导104、112的输出处的透射光谱208、202。这说明了当输入光信号204传播通过带状波导104时输入光信号204的操纵，以及与输入光信号204的操纵对应的耦合至槽状波导112的感测信号。

如图1A和1B所示，槽状波导112用作感测波导，而带状波导104用作用于光学信号引导和检测的信号波导。当分析物108的折射率(n_ex)变化时，槽状波导112和带状波导104的模式折射率相应改变。因此，这导致带状波导104的模式折射率和槽状波导112的模式折射率的差ΔN_ef的_f改变，进而又导致从带状波导104耦合至槽状波导112的光的共振波长λ₀的移位。从带状波导104输出的光信号206的共振波长λ₀将因此相应移位，并可以被检测器1008检测到。因此，可以基于在共振波长λ₀中的这个移位分析分析物108。从而，该传感器100的灵敏度S可以被定义为响应分析物108的共振波长λ₀中的上述移位的程度。

利用如示例性实施方式所述的传感器100的配置，传感器100的RI灵敏度S可以定义为：

$S=\frac{d{\mathrm{\λ}}_0}{d{n}_{\mathrm{ex}}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{(N_g^{\mathrm{strip}}-N_g^{\mathrm{slot}})}(\frac{\∂N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{strip}}}{\∂n_{\mathrm{ex}}}-\frac{\∂N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{slot}}}{\∂n_{\mathrm{ex}}})={\mathrm{\λ}}_0\frac{\mathrm{\ΔS}}{\mathrm{\Δ}{N}_g}---\left(2\right)$

其中，

$N_g^{\mathrm{strip}}=N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{strip}}-\mathrm{\λ}\frac{d{N}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{strip}}}{\mathrm{d\λ}},N_g^{\mathrm{slot}}=N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{slot}}-\mathrm{\λ}\frac{d{N}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{slot}}}{\mathrm{d\λ}},\mathrm{\Δ}{N}_g=N_g^{\mathrm{strip}}-N_g^{\mathrm{slot}},---\left(3\right)$

$S^{\mathrm{strip}}=\frac{\∂N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{strip}}}{\∂n_{\mathrm{ex}}},S^{\mathrm{slot}}=\frac{\∂N_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{slot}}}{\∂n_{\mathrm{ex}}},\mathrm{\ΔS}=S^{\mathrm{strip}}-S^{\mathrm{slot}}.---\left(4\right)$

根据等式(2)至(4)，可知示例性实施方式中描述的传感器100的灵敏度S与带状波导104和槽状波导112之间的灵敏度差ΔS成正比。根据该结构，由于在槽状波导112的槽状区域124中的高强度电场分布，槽状波导112的灵敏度S^slot比带状波导104的S^strip大得多，因此产生更大的灵敏度差ΔS。此外，根据等式(2)可知，传感器100的灵敏度S还与带状波导104和槽状波导112之间的群折射率差ΔN_g成反比。根据示例性实施方式的群折射率差ΔN_g被设置为具有较小的值。因此，传感器100可以基于上述因子(即，灵敏度差ΔS和/或群折射率差ΔN_g)被配置为具有大幅增强的灵敏度。相比之下，基于传统的信号槽状或带状波导的传感器的灵敏度典型地只与群折射率N_g(即，不是群折射率差)成反比，该群折射率通常具有较大的值(例如，大约2至4)。因此，这种传统的传感器具有小得多的灵敏度。

只用于说明目的而并非限定，根据示例性实施方式的、具有以下示例性参数的传感器100现在将被检验，包括对传感器100的灵敏度S的示例性计算。具体地，示例性参数为n_Si3N4＝2.0、n_ex＝1.333、n_SiO2＝1.444、h＝400nm、g＝200nm、s＝1μm、W＝1μm、W_s＝450nm并且t＝0nm。在这个实施例中，只考虑TE偏振。

图3A和3B分别示出了对于具有上述示例性参数的传感器100的带状波导104和槽状波导112的场分布。根据图3B可知，在槽状波导112纳米级(200nm)低折射率槽状区124内的光强非常强。图3C和3D图示的曲线图示出了两个波导104、112的模式折射率N_eff和两个波导104、112之间的模式折射率差ΔN_eff作为波长λ的函数(即，图3C)和外部折射率n_ex的函数(即，图3D)的相关性。因此，可以根据图3C和3D所示的曲线图计算每个波导管104、112的群折射率和灵敏度S^strip、S^slot。下面的表1中示出了包括传感器100的灵敏度S在内的、所计算出的传感器100的特性/性质。

表1：图1A所示的示例性传感器的性质(具有上述示例性参数)

如表1所示，在本实施例中传感器100的灵敏度S能够有利地达到-1461nm/RIU。应当理解，负号表示当外部折射率(n_ex)增加时，共振波长λ₀减小。值得注意的是，该灵敏度S值比传统带状波导环形谐振器传感器的约大20倍，比传统槽状波导环形谐振器传感器的约大7倍。

因此，在该示例性实施方式中所述的传感器100的配置(即，基于槽状波导和带状波导之间的灵敏度差ΔS，和/或槽状波导112和带状波导104之间的群折射率差ΔN_g)已被证明有利地形成高灵敏度折射率传感器100。

根据本发明的其他实施方式，传感器100的灵敏度(S)可以通过配置/调整槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差ΔS和/或槽状波导112和带状波导104之间的群折射率差ΔN_g而进一步增强。

这可以由上述示出的等式(2)看出。

因此，通过配置传感器100以使得增加槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差ΔS、和/或减小槽状波导112和带状波导104之间的群折射率ΔN_g，可以进一步增强传感器100的灵敏度S。

在示例性实施方式中，为了增大槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差ΔS，将带状波导104的灵敏度S^strip减小，和/或将槽状波导112的灵敏度S^slot增大。在优选的实施方式中，如图4所说明，通过隔离带状波导104而降低带状波导104的灵敏度S^strip。除了传感器400的带状波导104由隔离层404封闭以与外部分析物108隔离之外，图4中所描述的传感器400与图1B中所描述的传感器100相同。应当注意，在附图中(包括图4)，与图1A和1B中相同或相似的参考编号应用于相同或相似的部分/部件，并且将省略或简化该相同或相似的部分/部件的描述。用于隔离层404的优选或适当的材料为二氧化硅(SiO₂)。本领域的技术人员应当理解，隔离层404不限于SiO₂隔离层，其他合适的/适当的材料都在本发明的范围之内。例如，在下文参考图8A所描述的优选实施方式中，该隔离层由诸如聚合物材料(例如，诸如SU－8的环氧树脂和各种类型的光刻胶)的低折射率材料制成。

只用于说明目的而并非限定，计算具有与上文所述相同的示例性参数并具有图4所示的SiO₂隔离层的传感器400的特性/性质，并在以下的表2中示出。

表2：图4所示的示例性传感器的性质(具有上述示例性参数)

通过比较表1和表2中的带状波导104的灵敏度S^strip，可以清楚地看出，在SiO₂隔离后S^strip显著降低。其结果是，槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差ΔS显著增加，因此这导致传感器400的灵敏度相应地大幅增加。如表2所示，所计算的传感器400的灵敏度约为-2702.4nm/RIU，比上述带状波导未被隔离的传感器100几乎大2倍。这展示出为了增强传感器400的灵敏度而减小带状波导104的灵敏度的有效方法。

如上所述，槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差ΔS也可以通过增强槽状波导112的灵敏度S^slot进行增强。在实施方式中，这可以通过配置夹缝波导管112的一个或多个参数来实现。为了证明这一点，图5A、5B以及5C示出了针对于槽状波导112的宽度W_s(在大约350nm至550nm范围内)、槽状波导112的间隙124的宽度g(在大约100nm至300nm范围内)、以及肋高t(在大约0nm至100nm范围内)的传感器100、400的灵敏度S。从图5A和5B清楚可知，对于两个传感器100、400，灵敏度S随着槽状波导112的宽度W_s和/或随着槽状波导112的间隙124的宽度g的减小而增加。因此，已经证明，通过配置/调节槽状波导112的参数，传感器100、400的灵敏度S可以分别高达1700nm/RIU和3500nm/RIU。另一方面，根据图5C，发现传感器100、400的灵敏度S只与肋高t较弱地相关。

在优选的实施方式中，槽状波导112的宽度W_s在约350nm至550nm的范围内，更优选为在450nm至550nm的范围内，槽状波导112的间隙124的宽度g在约100nm至300nm的范围内，更优选为在100nm至200nm的范围内，肋高t在约0nm至100nm的范围内。

现在将描述光栅116的耦合系数和透射光谱。在带状波导104输出处的透射光谱可以根据以下等式得出：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=1-\frac{{\mathrm{\κ}}^2}{{\mathrm{\κ}}^2+{\mathrm{\δ}}^2/4}{\sin }^2\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2+{\mathrm{\δ}}^2/4}L---\left(5\right)$

其中，

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}\left(6\right)$

在以上等式中，L为光栅长度，к为用于表示光栅强度的特性的耦合系数，其根据以下等式得到：

其中，c和μ₀为光在自由空间的速度和真空磁导率。和分别为带状波导104和槽状波导112的归一化场。A表示光栅面积。根据等式(5)，当кL＝π/2且δ＝0时，在共振波长λ₀处产生100％耦合。

根据实施方式，光栅强度(即，耦合系数)可以通过在带状波导104的上表面118上配置蚀刻深度控制。为了证明这一点，图6示出耦合系数作为对于间距s的三个值的蚀刻深度的函数的变化。可以看出，耦合系数随着蚀刻深度的增加而增加。此外，较小的间距在相同的蚀刻深度下产生较大的耦合系数。图6也示出了实现кL＝π/2所需的相应光栅长度。例如，当L＝1500μm时，通过к＝π/2L＝1.047×10³m^-1得到实现最大对比度所需的耦合系数，根据图6，其需要约28nm的蚀刻深度(约波导高度的厚度的7％)。

图7A和7B分别示出了对于两个传感器100、400(即，未进行SiO₂隔离和进行SiO₂隔离)在不同外部折射率n_ex值下的透射光谱。两个传感器100、400的光栅长度都设置为2000μm。在这两幅图中，随着外部折射率增大，共振波长λ₀向更短的波长移位。通过比较图7A和7B可以发现，进行SiO₂隔离的传感器400比未进行SiO₂隔离的传感器100更灵敏。在图7C中，示出了共振波长λ₀对外部折射率n_ex的相关性为线性。

在又一实施方式中，如图8所示的传感器800被配置为具有降低或最小的温度相关性。除了传感器400的带状波导104被聚合物层804隔离或封闭外，图8A所示的传感器800与图1B所示的传感器100或图4所示的传感器400相同。应当注意，在附图中相同或相似的参考编号表示相同或相似的部分/部件，并且将省略或简化该相同或相似的部分/部件的描述。

在实施方式中，共振波长λ₀的温度相关性计算如下：

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{dT}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\Δ}{N}_g}(\frac{\∂\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}}{\∂n_{{\mathrm{SiO}}_2}}{C}_{{\mathrm{SiO}}_2}+\frac{\∂\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}}{\∂n_{\mathrm{ex}}}{C}_{\mathrm{ex}}+\frac{\∂\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}}{\∂n_{\mathrm{cover}}}{C}_{\mathrm{cover}}+\frac{\∂\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}}{\∂n_{{\mathrm{Si}}_3{N}_4}}{C}_{{\mathrm{Si}}_3{N}_4})=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\Δ}{N}_g}{F}_t,---\left(8\right)$

其中，C_SiO2、C_ex、C_cover、C_Si3N4分别表示对于SiO₂基板114、外部分析物108、用于隔离的聚合物覆盖层804、以及Si₃N₄的热光系数(TOC)。在本实施例中，发现传感器400具有正温度相关性(即，随着温度增高，共振波长λ₀向更长的波长移位)。为了解决这个正温度相关性，本实施方式提供具有负TOC的聚合物覆盖层804作为隔离层替代如在图4的实施方式中公开的SiO₂层404，以对传感器400的温度相关性进行补偿。发现当使用具有适当的负TOC的聚合物材料时，等式(8)中的F_t可以为接近于0的小值。即，选择具有可以大体上补偿传感器的正温度相关性的TOC的聚合物材料，以使得净温度相关性最小或大幅减少，而且反之亦然。因此，传感器800的温度相关性可以有利地被显著降低或基本上消除。

出于说明目的，对具有以下参数的每个传感器100、400、800进行试验：C_SiO2＝1.0×10^-5/℃、C_ex＝-8.0×10^-5/℃(即，对于水)、C_cover＝-1.8×10^-4/℃、C_Si3N4＝4.0×10^-5/℃、n_cover(n_覆盖层)＝1.49(TOC和折射率是聚合物的典型值)。图8B示出了对于三个传感器100、400、800中的每一个分别在带状波导宽度的不同值(从900nm至1000nm)下的共振波长的温度相关性。可以看出，未进行SiO₂隔离和进行了SiO₂隔离的传感器(即，100、400)分别具有约200pm/℃和约310pm/℃的正温度相关性。另一方面，当使用聚合物隔离层804时，温度相关性对于大范围的带状波导宽度(即，大容差)显著降低至小于20pm/℃。另外，通过选择具有约950nm的宽度的带状波导104，可以将温度相关性进一步减小至大体为零。这可以从图8B中推导出，这是因为虚线(相当于零温度灵敏度)和进行了聚合物隔离的曲线的交叉点在W在950nm左右时被定位。因此，通过应用聚合物隔离层804，不仅增强了灵敏度，而且也大大降低了温度相关性。通常，具有适当TOC的任何聚合物材料都是合适的，并且优选该聚合物材料是可构图的。举例但不进行限定，该聚合物材料可以是WIR30-490或SU-8。

根据另一实施方式，传感器900配置为能够进行波长多路复用测量。如上所述，光栅116本质上是波长选择性的。因此，传感器100、400、800可以扩展为适于波长多路复用测量的配置。图9说明能够进行波长多路复用感测的传感器900的示意性俯视图，其中，沿着带状波导104的上表面118形成具有不同周期Λ₁、Λ₂、Λ₃以及Λ₄(对应不同的共振波长)的四级光栅116a、116b、116c以及116d。每个光栅116都在各自的共振波长λ₁、λ₂、λ₃、以及λ₄产生感测信号，因此，可以在带状波导104的输出处观察到具有四个波峰的光谱。然后可以监控或检测每个波峰的波长用于波长多路复用测量。

因此，基于在带状波导104和槽状波导112之间的光栅辅助的同向光耦合，本发明的实施方式提供了诸如在生化分析中的高灵敏度折射率传感器。该传感器具有高灵敏度，而且可以通过隔离带状波导104和/或优化槽状波导参数进一步增强。利用聚合物隔离层，传感器可以进一步实现最小的或显著减小的温度相关性。另外，因为光栅固有的波长选择的性质，该传感器可以被配置为具有波长多路复用的测量能力。在示例性实施方式中公开的传感器具有广泛的应用，例如但不限于临床应用，其中期望具有低检测限制的生物分子的多路复用检测。例如，其它应用可以在环境监测领域和食品安全以及药物筛选领域中，诸如，用于低浓度爆炸性气体检测的气体传感器。

图10描绘了包括根据本发明实施方式的、上述折射率传感器100、400或800的对分析物进行分析的折射率传感器装置1000。具体地，折射率传感器装置1000包括：具有带状波导104和槽状波导112的折射率传感器100、400、或800；用于将光信号输出至带状波导104的光源(例如，宽带光源)；以及用于从带状波导104接收光信号用于对分析物108进行分析(优选波长移位分析)的检测器(例如，光谱分析仪(OSA))1008。带状波导104被配置为接收其中的来自光源1004的光信号，并将在传播通过带状波导时受到操纵的光信号传输至检测器1008进行分析。槽状波导112被配置为用于感测放置在其上的分析物并从带状波导104接收与上述光信号的操纵相对应的感测信号。此外，光栅116形成于带状波导104的表面以使得能够将感测信号从带状波导104耦合至槽状波导112。特别地，折射率传感器100、400、或800被配置为基于槽状波导112和带状波导104之间的灵敏度差和/或槽状波导112和带状波导104之间的群折射率差具有增强的灵敏度。

优选地，折射率传感器设备1000还包括偏振控制器1006，用于从光源1004接收光信号并向带状波导输出TE偏振光信号。

图11描绘了大致说明制造对分析物进行分析的折射率传感器的方法1100的流程图。该方法1100包括：步骤1102，形成用于接收其中的输入光信号并将该光信号传输至检测器(例如，光谱分析仪)1008用于对分析物108进行分析的带状波导104，其中该光信号在传播通过带状波导104时受到操纵；以及步骤1104，形成用于感测放置在其上的分析物108并从带状波导104接收感测信号的槽状波导112，该感测信号与上述光信号的操纵相对应。方法1100还包括步骤1106，在带状波导的表面形成光栅以使得能够将感测信号对从带状波导耦合至槽状波导。本领域技术人员应当理解，上述步骤可以以任何顺序执行，不限于所呈现的顺序。此外，上述步骤不旨在被理解为各步骤都必要，而且，不脱离本发明的范围的情况下，可以组合作为一个合适的制作步骤。

本领域技术人员应当理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，如在特定实施方式中示出的那样，本发明可以进行各种变形和/或修改。因此，本发明实施方式在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于对分析物进行分析的折射率传感器，所述传感器包括：

带状波导，用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵；以及

槽状波导，用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

其中，光栅形成在所述带状波导的表面上，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

所述传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。

2.如权利要求1所述的传感器，还包括基底，其中，所述带状波导和所述槽状波导被设置在所述基板上以隔开并大体上互相平行。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其中，所述感测信号为光信号的形式，并且所述光栅具有被配置为将光信号在特定共振波长处从所述带状波导耦合至所述槽状波导的光栅周期。

4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述槽状波导具有根据被放置在所述槽状波导上的所述分析物而受到改变的模式折射率，所述模式折射率的改变导致从所述带状波导被耦合至所述槽状波导的所述光信号的所述特定共振波长的移位，从而使得能够根据所述特定共振波长的移位对所述分析物进行分析。

5.如权利要求3或4所述的传感器，其中，所述传感器配置为以使得其灵敏度(S)根据以下等式确定：

$S={\mathrm{\λ}}_0\frac{\mathrm{\ΔS}}{{\mathrm{\ΔN}}_g}$

其中，λ₀为所述光信号的所述特定共振波长，ΔS为所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差，ΔN_g为所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率差。

6.如权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中，所述传感器配置为以使得所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差增大，和/或所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率降低。

7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中，所述带状波导被隔离以降低其灵敏度，从而增大所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏度差。

8.如权利要求7所述的传感器，其中，所述带状波导被由SiO₂制成的隔离层封闭，以将所述带状波导与所述分析物隔离。

9.如权利要求7所述的传感器，其中，所述带状波导被由聚合物材料制成的隔离层封闭，以将所述带状波导与所述分析物隔离。

10.如权利要求9所述的传感器，其中，所述聚合物材料具有热光系数，所述热光系数被选择用于补偿所述传感器的正温度相关性或负温度相关性，以降低所述传感器的温度相关性。

11.如权利要求9或10所述的传感器，其中，所述聚合物材料由WIR30-490或SU-8制成。

12.如权利要求1至11中任一项所述的传感器，其中，所述带状波导的宽度被配置为约600nm至约1000nm。

13.如权利要求1至12所述的传感器，其中，所述槽状波导的一个或多个参数被配置为增大所述槽状波导的灵敏度，从而增大所述槽状波导和所属带状波导之间的所述灵敏度差，其中，所述一个或多个参数包括所述槽状波导的宽度和/或所述槽状波导的间隙的宽度。

14.如权利要求13所述的传感器，其中，所述槽状波导配置为以使得所述槽状波导的宽度增大，和/或所述间隙的宽度降低。

15.如权利要求13或14所述的传感器，其中，所述槽状波导的所述宽度处于约350nm至约550nm的范围内，并且所述间隙的所述宽度处于约50nm至约300nm的范围内。

16.如权利要求1至15所述的传感器，其中，彼此分离的多个光栅形成在所述带状波导的表面上，每个光栅具有被配置为在各自的共振波长处将所述感测信号耦合至所述槽状波导的不同光栅周期，从而使得能够进行波长多路复用测量。

17.如权利要求1至16所述的传感器，其中，所述槽状波导和/或所述带状波导由氮化硅(Si₃N₄)制成。

18.一种制造用于对分析物进行分析的折射率传感器的方法，所述方法包括：

形成带状波导，所述带状波导用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵；以及

形成槽状波导，所述槽状波导用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

其中，所述方法还包括在所述带状波导的表面形成光栅，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

基于在所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差，将所述传感器配置为具有增强的灵敏度。

19.一种用于对分析物进行分析的折射率传感器装置，所述传感器装置包括：

折射率传感器，包括带状波导和槽状波导；

光源，用于向所述带状波导输出光信号；以及

检测器，用于从所述带状波导接收所述光信号以对所述分析物进行分析，

其中，所述带状波导被配置为接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器，其中，所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵，

所述槽状波导被配置为感测放置在所述槽状波导上的所述分析物，并从所述带状波导接收感测信号，其中，所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应，

光栅形成在所述带状波导的表面上，以使得能够将所述感测信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导，并且

所述折射率传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。

20.如权利要求19所述的折射率传感器装置，还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于从所述光源接收所述光信号，并向所述带状波导输出TE偏振光信号。