CN110325840B - 集成式等离子体光子生物传感器及基于其的设置方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成式等离子体光子生物传感器及其使用方法，该集成式等离子体光子生物传感器包括具有大自由光谱范围的第一光学马赫曾德尔干涉测量传感器，其中，等离子体波导管(107)薄膜或混合槽被合并为平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件，以及第二光学马赫曾德尔干涉测量传感器，两台光学马赫曾德尔干涉测量传感器均包括第一热光移相器(104)和第二热光移相器（106)，其用作可变光衰减器VOA以最佳方式偏置所述第一光学马赫曾德尔干涉测量传感器和第二光学马赫曾德尔干涉测量传感器。

Description

集成式等离子体光子生物传感器及基于其的设置方法和使用 方法
技术领域
本发明涉及一种用于低成本大规模制造平面集成光子生物传感器的装置，更具体地说，涉及将CMOS光子和等离子体部件单片与最佳偏置MZI干涉仪共同集成的方法，该方法以低制造成本空前提高传感器灵敏度。
背景技术
已经提出了几种解决方案来解决高灵敏度生物传感的技术问题。然而，所需制造方法复杂、成本高昂，系统体积大或灵敏度适中仍妨碍广泛的商业开发。在进入市场之前，应该同时解决在传感装置中的所有这些特性。
Jiri Homola、Sinclair S.Yeea和Günter Gauglitzb在《表面等离子共振传感器：评论》，传感器和执行器B：化学杂志，第54卷，1999年1月1—2期，第3-15页，中提出，由于金属表面上的强光场，表面等离子体共振(SPR)对折射率变化的灵敏度导致了开发用于检测生物制剂的SPR传感系统。那些传感器通常使用光学棱镜将光耦合到平坦金膜上的表面等离子体模式。然而，这些系统的尺寸大，严重妨碍了用平面单片芯片对其进行小型化，低成本制造，以及它们在床旁检测和其他便携式应用中的使用。
近来，纳米制造技术的探索发展，使得载有传播表面等离子体激元的等离子体波导管装置被集成为生物传感器，但在灵敏度方面，感测性能低。为了提高等离子体传感器的性能，将等离子体波导管集成在称为“MZI”的马赫曾德尔干涉仪以及其他干涉结构中，以利用等离子体波导管光场的相位依赖性来改变受试测试分析物的折射率。美国光学学会-光学快报第23卷第20期第25688-25699页(2015)，doi.org/10.1364/OE.23.025688[Wosinski]的论文演示了具有集成在硅上的金基槽式波导管的马赫曾德尔干涉仪。然而，由于在与小自由光谱范围的MZI组合时，缺少最佳偏置部件用以优化上下支路之间的差分长度和功率不平衡，使得光学灵敏度只能达到1061/nm/RIU量级。M.Z.Alam、F.Bahrami、J.S.Aitchison和M.Mojamedi在美国电气和电子工程师协会-《光学和光子学杂志》发表名为《分析和优化用作生物传感平台的混合等离子体波导管》的论文中提出了使用混合等离子体槽式波导管的类似方法：第6卷，第4期，2014年8月，DOI：10.1109/JPHOT.2014.2331232，但是，设计侧重于缺少任何MZI平衡组件和相关的性能指标的等离子体波导管。
专利文献US2005/0018949 A1公开了一种使用等离子体的MZI传感器，其仅以微米级尺寸以内(2-20μm)应用，因此仅仅允许微米级集成，不能实现更小量级的集成。另外，所述文献没有公开等离子体和光子波导管之间的耦合效率，预期其耦合效率低，集成等离子体波导管的MZI支路的损耗非常高。这种情况与MZI下支路缺少偏置部件类似，因此所述文献未公开，预计在感测测量期间分辨率低，因此限制了传感器的灵敏度和检测限。
专利EP 2 214 049 B1使用专门设计的光子MZI，其依赖于渐逝光场，但在MZI感测支路中需要非常长的交互臂。这与CMOS不兼容材料，例如聚合物，使用相结合时，阻碍了该设备在微米级或纳米级中的进一步小型化以及CMOS工厂大规模制造。与上述装置类似，该传感器也不使用完美平衡MZI传感器所需的平衡部件，同时为了满足灵敏度要求，它需要大的传感器结构，这限制了大规模制造，因此妨碍了传感芯片制造成本的降低。
此外，Yongkang Gao、Qiaoqiang Gan、Zheming Xin、Xuanhong Cheng和Filbert JBartoli 2011年12月18日于《美国化学学会奈米期刊》5(12)：9836-44发表论文《用于超敏感片上生物传感的等离子体马赫曾德尔干涉仪》，以及Kirill E.Zinoviev；Ana BelénGonzalez-Guerrero；Carlos Dominguez；Laura M.Lechuga于2011年在《光波技术杂志》第29卷，第13期第1926–1930页，DOI：10.1109/JLT.2011.2150734，论文《用于无标记分析的集成双模式波导干涉式生物传感器》分别提出了一种被称为BiModal干涉仪的新型干涉仪。这种新型干涉仪使用光子和等离子体结构，目标是增强热稳定性和/或偏离理想的50：50分离比。虽然他们提供紧凑的解决方案，但对双模式操作的要求阻碍了扩大传感区域以及为优化分辨率而精确平衡两个MZI分路。
Jianghai Wo等人在美国光学学会《光学快报》第37卷第1期67-69页(2012)，doi.org/10.1364/OL.37.000067发表论文《采用超细纤维马赫曾德尔干扰仪的折射率传感器》，文中报道了采用MZI结构的微纤维折射率传感器。所提出的设计采用光纤，手动控制的现成光学延迟线和衰减器部件优化MZI传感器操作以及6cm光学微纤维。该论文没有公开在平面集成芯片中开发所提议设计并且实现集成式衰减器和延迟线的方法。此外，使用6cm长的微纤维作为传感器换能器不允许进一步小型化(毫米或微米级)和大规模制造。
Stewart A.Clark、Brian Culshaw、Emma J.C.Dawnay和Ian E.Day于Proc.SPIE3936，集成光学装置IV，(2000年3月24日)；DOI：10.1117/12.379940发表论文《用SIMOX材料制备热光相位调制器》公开了一种在MZI结构中利用平面电控热光移相器作为相位调制元件的方法。WO 00/73848 A2(JDS UNIPHASE CORP[美国]；McBrien Gregory J[美国]；KissaKarl M[美国]；Hal)(2000年12月7日)(2000-12-07)也公开一种在嵌套MZI结构中组合电控相位调制器的类似方法。然而，两种方案均没有说明传感元件或传感功能。
WO 00/73848 A2在图3中公开了一种带有电极的嵌套式马赫曾德尔结构，其中电极用于控制干涉仪臂中的场的相位和平衡。然而，公开的装置是调制器而不是传感器，并且不包含热光学移相器。
发明内容
本发明旨在通过提出一种超灵敏生物传感器装置来同时解决上述各种问题，所述超灵敏生物传感器装置可通过使用简单的低成本制造方法集成在基于微米级芯片的结构中。
能够精确地实时读取低至分子水平的目标物质的传感技术，将促进疾病早期诊断和预防、床旁检测应用和精确环境监测。因为能够将光限制在纳米级尺寸，且具有出色的灵敏度与相互作用长度关系，所以等离子体光子技术在应用于传感时具有巨大潜力。由于等离子体每单位长度具有前所未有的灵敏度，以及能够与低损耗光子学、电子-纳米级和金属-生物化学机制(生物相容性)和谐共存，等离子体将实现生物传感器系统在性能，多功能性和紧凑性方面的新能力。
与此同时，选择性地组合等离子体波导管与Si3N4基光子可以利用电子IC工厂的CMOS后端制造工艺以近低成本和大规模制造集成光子传感器。虽然等离子体光子的附加价值已得到实际证实，但尚未有组织力量将集成等离子体传感器从高损耗和隔离技术转变为高价值的实用CMOS兼容器件。简而言之，在集成平面芯片中和谐和平衡地混合CMOS兼容性光子等离子体与光子有望使昂贵而复杂的技术转变成等离子体光子传感器，从而实现基于等离子体光子集成电路(PIC)的传感器的真正技术革命，这种传感器具有许多前所未有的性能和功能，满足各种工业需求。
因此，本发明旨在解决对集成传感装置(芯片)，即紧凑型传感器的需求，所述传感器具有前所未有的光学灵敏度，灵敏度暂时高达大约150000nm/RIU，采用具有几十纳米到几百纳米大波长自由光谱范围的最佳平衡光子MZ干涉仪中的等离子体波导管，具体地说，可以通过CMOS制造商低成本批量生产所述传感器，特别是通过单片集成方式，通常用于电子集成电路。从这个角度来看，根据本发明，分别提供一种传感器设计，一种部件制造方法，一种装置和一种传感方法。
此外，本发明提供一种光学马赫曾德尔干涉MZI生物传感器，其采用平面集成在CMOS芯片上的纳米级Si3N4光子波导管和纳米级等离子体波导管。本发明的目的在于，当受试分析物或气体覆盖等离子体波导管时，通过利用干涉仪等离子体波导管段发生的已知折射率变化进行化学和/或物理量检测。另外，即第二个目的在于，马赫曾德尔干涉MZI与光学移相器一起用作可变光学衰减器VOA，并且独立移相器包含在一条支路，例如干涉仪下支路，以便实现传感器最佳平衡和远低于现有技术的测量灵敏度。传感器设计与低成本材料和制造工艺相结合，可实现大规模制造。
本发明提供一种低成本大规模制造检测液体或气体化学量、生物化学量或其他物理量的超灵敏生物传感器芯片的方法。
因此，根据本发明，提供了一种光子和等离子体波导管辅助的超灵敏生物传感器设备，所述光子和等离子体波导管布置在特别设计的MZI结构中，可以利用工厂低成本、大规模制造该超灵敏生物传感器设备。具体地说，根据本发明，提供了一种包括用于纳米级集成的光子和新型等离子体部件的设备。
根据本发明的装置的一个主要实施例，所述装置包括一光学干涉测量传感器，其是马赫曾德尔干涉测量MZI传感器，具有从几十纳米到几百纳米大波长自由光谱范围，其中，等离子体波导管，特别是薄膜或混合槽，作为平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件并入，其进一步包括
-一组具有高折射率氮化硅条的光子波导管，其设置在低折射率氧化物基质SiO2和低折射率氧化物覆盖层LTO之间
-一光学耦合结构，其设置在传感器两端，用作光输入/输出；
-一分光器和一光学组合器，分别用于在所述MZI传感器第一联接点进行光分离，以及在所述第一MZI传感器，具体地说，在星形联接、定向耦合器或多模式干涉耦合器(MMI)，的第二联接点进行光组合；和
-一等离子体波导管，其设置在所述传感器的上支路中，用于通过在金属-分析物界面耦合表面等离子体激元(SPP)来限制光传播。所述装置显着地包括另一马赫曾德尔型显着光学干涉元件，其布置在所述MZI传感器的参考臂中，两个所述MZI元件都包括用于最佳地偏置所述干涉仪的热光加热器，所述装置进一步包括整体芯片，具有所述附加第二MZI的可变光衰减器VOA，用于设置在所述附加第二MZI的第一联接点进行光分离的分光器以及在所述附加第二MZI的第二联接点进行光组合的光组合器，
-一组热光移相器，用于调谐每个所述MZI的参考臂中的光信号的相位；其中所述热光移相器通过在一段光子波导管的顶部上并沿着光的传播方向沉积至少一个或两个彼此平行的金属条而形成。
因此，与最接近的现有技术不同，根据本发明的装置的不同之处在于，所述装置包括上述这些显著特征，特别是所述另一个马赫曾德尔型光学干涉仪，两者均包括用作所述干涉仪的偏置单元和可变光衰减器的热光加热器；具有嵌套在所述MZI1传感器内具有所述第二MZI2的VOA；以及一组热光移相器。
这些特征的技术效果在于，由嵌入第一传感器的第二干涉仪MZI2组成，具有设置在其参考臂中的热光移相器，MZI2用作由热传感器驱动信号控制的可变光衰减器VOA。所述VOA控制第一干涉测量传感器参考臂中的信号强度。第一干涉测量传感器参考臂中的另一热光移位器允许控制所述参考臂中光束的相位。因此，可以控制干涉仪MZI1参考臂的场相位和幅度，使得MZI1可以通过所需工作点处的电信号实现平衡和偏置。
因此，所述最接近的现有技术XP011552586要解决的问题是控制干涉测量传感器的平衡和偏置点。通过根据本发明提出的装置提供的解决方案显著之处在于，JIANGHAI WOET AL的XP001572448也公开了VOA和设置在参考臂中用于控制干涉测量传感器偏置点的移相器，详细信息见该文件图1所示“可调ODL”和衰减器及相关内容。然而，后者没有公开包括热光移相器的可调ODL，也没有公开由包括另一热光元件的马赫曾德尔干涉仪制作的衰减器。因此，本文献还公开了技术问题的解决方案，但是，没有缺失根据本发明所示上述主要实施例的特征。实际上，与所述最接近的现有技术XP011552586的平面技术不同，根据XP001572448的干涉仪是基于光纤的。因此，本文不再说明如何实现可调延迟和在所述最接近技术所示平面波导传感器中设置其它文献所示衰减器。XP55414114公开了涉及热光元件的平面波导技术中的移相器的实施方式，以及包含热光元件的马赫曾德尔结构中的可变光衰减器，参考其引用的段落。总之，在所述最接近现有技术XP011552586中，为了实现本发明，应实施利用XP55414114所示平面波导技术获得的另一文件的光纤部件功能。
本发明的一个方面是，与先前技术装置相比，由于采用大自由光谱范围(FSR)(从10纳米到100纳米)SPP波导管强光与物质相互作用以及最佳偏置MZ干扰结构，本发明具有较好光敏性，例如，光学谐振偏移与等离子体波导管上方的折射率单位变化。干涉仪感测和参考臂之间的光程差越小，自由光谱范围就变得越大，从而导致干涉仪对等离子体波导管上受分析物的折射率的灵敏度越高。根据本发明，提供一种整体结构和最佳偏置方法。
本发明的另一方面是提供一种用嵌体MZ干涉结构中的金属加热器单片集成纳米级SPP波导管(薄膜或混合光子槽)、氮化硅光子波导管和热光移相器的方法，从而实现创纪录的高灵敏度的同时，实现低制造成本。
本发明的又一个方面是提供利用CMOS兼容材料(氧化物、金属、电介质)在紧凑MZI结构中单片集成纳米级SPP波导(薄膜或混合光子槽)、纳米级氮化硅光子波导管和热光移相器和低成本大规模制造传感器芯片的方法。
本发明还涉及一种装置，特别是其中本发明的另一个方面涉及光子和等离子体波导管设计，特别是用于部署混合槽SPP波导管的设计，其允许用单掩模剥离工艺在相同金属上同时沉积等离子体槽式波导管和热光移相器金属触点，因此制造总成本进一步降低。
本发明的又一个方面提供一种超灵敏生物传感器阵列装置，其由波分复用WDM技术以及以布置在特别设计的MZI结构阵列排列的光子和等离子体波导管辅助，可以在大规模制造厂低成本制造所述超灵敏生物传感器阵列装置。所述阵列将能够用作单生物传感器装置同时检测受试分析物或气体的物理量，具有灵敏度相同和生产成本低的特点。
总之，得益于本发明，提供了一种装置，其包括用于纳米级集成的光子和新型等离子体部件，而上述引用文献US2005/0018949A1仅仅允许微米级集成。另外，所述文献没有公开等离子体和光子波导管之间的耦合效率，预期其耦合效率低，集成等离子体波导管的MZI支路的损耗非常高。这种情况与MZI下支路缺少偏置部件类似，因此所述文献未公开，预计在感测测量期间分辨率低，因此限制了传感器的灵敏度和检测限。预计在传感测量期间会导致低分辨率，从而限制传感器的灵敏度和检测限。实际上，为了能够低成本制造小型化传感芯片，应该使用单片集成和纳米级几何结构来解决上述问题。得益于本发明，通过公开如何用包括等离子体传感元件和附加光子MZI的MZI传感器以及移相器完美地平衡超灵敏感测MZI，来解决这些问题，所述MZI采用单片集成且制造成本低。
部署附加MZI 1参考臂中的附加MZI和移相器(金属加热器)，以在感测测量之前在输出处获得完全平衡的干扰，从而使得消光比和检测限最大化。根据本发明的优选实施例，作为一种方法，上述内容结合大自由光谱范围MZI(数十纳米到数百纳米自由光谱范围)结构以实现超高灵敏度和感测性能，从而满足当前和未来需要。
另外，根据本发明的另外实施例提供了特定部件，所述部件具有整体制造成本低，蚀刻和剥离步骤减少的特点，包括单蚀刻光子波导管(条带)以及单个剥离步骤等离子体波导管。此外，还提供了一种集成MZI等离子体光子传感器设计方法，与先前技术相比，其可以提高灵敏度水平，并且可以降低成本制造。
根据本发明所述装置的具体实施例，所述等离子体波导管由贵金属制成，诸如金(Au)或银(Ag)；也可能使用低成本金属，诸如铜(Cu)、铝(Al)、氮化钛(TiN)或其他CMOS兼容金属。
根据本发明所述装置的另一实施例，所述等离子体波导管由以下两个波导管中的任一个制成
-“薄膜波导管”(TFW)，其由薄金属条组成，借助通过蚀刻顶部氧化物包层和仅一段光子波导管氮化硅芯而形成的空腔直接沉积在氧化物覆盖层上，或
-“混合等离子体光子槽式波导管”(HPPSW)，包括两条平行金属线，所述金属线直接沉积在波导管预定段顶部上，无需空腔或其他处理步骤，其中在光刻期间，金属条下面的光子波导管是中断的，无需额外掩模或处理步骤，其中在无需蚀刻等离子体波导管的单步骤和单一金属层沉积步骤中，将等离子体槽和移相器直接沉积在光子波导管顶部，更具体地，其中，为了在单个掩模中设计HPPSW和热光学移相器(加热器)，在传感器掩模设计期间，限定金属条间隔数值(距离WSlot)以及金属条长度和宽度，更具体地，其中包括定向耦合器，用于将来自光子波导管的光耦合到等离子体槽并返回到等离子体槽前后端的光子波导管等离子体圆锥，同样用于提高耦合效率。
本发明还涉及一种设备，包括如上所述的装置阵列，其中，所述装置阵列允许在同一芯片上同时检测多种物质，其中所述设备包括多个具有等离子体波导管的上支路和与所述上支路数量相同且设有加热器和VOA的下支路，其中常用分光器和常用光组合器分别布置在芯片输入端和输出端，用于所有MZI，其中每个MZI传感器使用波长数量相同的单独波长，这些波长通过光学器件同时通过分光器被注入到生物传感器中，其中每个MZI还包括在布置在其分路输入端和输入分路器之后的光滤波器，以从输入光信号中选择其操作波长，特别地，其中所述光滤波器或具有类似功能的其他光滤波器，如AWG，由环形谐振器组成。
根据本发明所述装置的更具体实施例，所述装置分别由其他CMOS兼容光子材料制成，如Si和绝缘硅(SOI)、TiO2；其他CMOS兼容金属材料，如Al、Cu、TiN或这些材料的化合物制成。
根据本发明所述装置的另一个实施例，所述装置包括双向垂直光栅耦合器，其用于替代所述第一传感器(MZI1)的其它光输入/输出和分光器和光组合器，以同时用作所述第一传感器(MZI1)的垂直输入/输出和分光器和光组合器。
根据本发明所述装置/8的特定实施例，集成光源，特别是VCSEL、LED、宽带光源或其他光源和光电探测器，分别布置在装置输入和输出端，更具体地，其中光源和光电探测器使用倒装芯片或晶片键合或芯片焊接或外延生长方法集成在光栅耦合器上方或光子波导管的相同水平上。
根据本发明所述装置的又一实施例，集成光源和光电探测器的阵列布置在装置的输入和输出端，具体地，其中光源和光电探测器使用倒装芯片或晶片键合或芯片焊接或外延生长方法集成在光栅耦合器上方或光子波导管的相同水平上。
根据本发明所述装置的一个显着实施例，所述装置包括垂直电通孔，也称为TSV，通过集成在同一芯片上的电子电路3D连接电光移相器并对其进行电控制。
根据本发明所述装置的另一个显着实施例，所述装置包括附加流体通道，所述附加流体通道固定在等离子体波导管表面上，以使预定溶液/分析物在等离子体换能器元件上流动。
根据本发明所述装置的一个非常显著的实施方案，在等离子体传感器表面设置额外捕获层，用于检测特定生物和/或化学物质和/或分子。
更具体地，本发明还涉及一种CMOS光子和等离子体部件与最佳偏置的MZI干涉仪的单片共同集成的方法，所述方法使传感器灵敏度提高到前所未有的水平并且制造成本低。
本发明还涉及如上所述装置的使用方法，具体地，其中，所述传感器的下分路设置相同尺寸的附加非功能化等离子体波导管，或在所述MZI阵列设置类似装置。具体地，其中，与所述传感器顶部支路上的功能化波导管类似，目标分析物被引导在所述附加波导管上流动，并且其中消除有害的粘结或噪声。
根据本发明所示装置使用方法的主要实施例，其特征在于，所述装置使用方法还包括以下步骤：
-通过包含在所述马赫曾德尔型干涉仪中的所述热光加热器将所述干涉仪MZI最佳地偏置为可变光学衰减器，
-通过设有嵌套到所述第一传感器中的第二干扰仪的可变光学衰减器(VOA)设置分光器和光组合器，分别用于在所述附加第二干涉仪第一联接点进行光分离以及在所述第二干扰仪第二联接点进行光组合；
-通过所述热光移相器调节每个所述干涉仪(MZI1,MZI2)-(VOA)参考臂中的光信号相位；在光子波导管段顶部和沿着光传播方向沉积两个彼此平行的金属条，以此形成热光移相器；
-通过嵌套在所述第一光学干涉测量传感器中的所述附加光学干涉仪在其参考臂中设置热光移相器，用作可变光学衰减器(VOA)，通过热光学移相器的驱动信号控制所述热光移相器，
-其中可变光学衰减器(VOA)控制第一干涉测量传感器参考臂中的信号强度，而第一干涉测量传感器参考臂中的所述附加热光移位器允许控制所述参考臂中的光束相位，因此，允许控制所述第一干涉测量仪传感器参考臂中的场幅度和相位，使得所述干涉测量仪传感器可以在所需工作点通过电信号实现平衡和偏置。
根据本发明所述方法的另一实施例，所述第一传感传感器的下分路设置相同尺寸的附加非功能化等离子体波导管，或在所述MZI阵列设置类似装置。具体地，其中，与所述传感器顶部支路上的功能化波导管类似，目标分析物被引导在所述附加波导管上流动，并且消除有害的粘结或噪声。
简而言之，本发明提供了一种用于低成本大规模制造超高灵敏度集成等离子体光子生物传感器的方法及其装置。
相应的从属权利要求定义了本发明的其他特征。
结合附图更详细地描述本发明的一些示例性实施例。需要说明的是，在本申请的范围内，能够相互组合本发明的实施例和实施例中的特征。
附图说明
图1示出了基于等离子体光子MZI的生物传感器电路的示意图。
图2、图3和图4示出了分别为用于传感器等离子体部分和热光移相器(加热器)的混合等离子体光子槽式波导管(HPPSW)的透视图、横截面图和侧视图。
图5和图6示出了分别为用于传感器等离子体部分的光子和薄膜等离子体波导管(TFPW)之间的薄膜界面的透视图和示意性侧视图。
图7示出了用波长自由光谱范围为1164nm的传感器MZI共振峰的光谱偏移，而图8和9分别表示方程1的第一和第二因子，并且用于测量生物传感器的光学灵敏度。
图10示出了使用多路复用MZI传感器、光学滤波器和WDM对多个光学信号(波长)进行并行化的多通道生物传感器结构的示意图。单个MZI传感器使用每个光学波长。
具体实施方式
首先，在下文中更详细地描述电路实施例。根据本发明所述的装置包括光学干涉生物传感器，特别是马赫曾德尔型MZI，其利用纳米级Si3N4光子波导管和平面集成在CMOS芯片上的纳米级等离子体波导管。本发明所述的方法包括通过受试分析物或气体附着在干涉仪时在等离子体波导管段发生的已知折射率变化检测化学和/或物理量。附加MZI，例如第二马赫曾德尔光学干涉仪MZI2，与光学移相器一起用作可变光学衰减器VOA，独立移相器包括在一个分路中，特别是干涉仪的下部分路中，以便最佳地平衡传感器并实现测量灵敏度。传感器设计与低成本材料和制造工艺相结合，可实现大规模制造。
图1示出了集成传感器电路，其包括使用设置在低折射率氧化物基质SiO2和低折射率氧化物覆盖层LTO之间的高折射率氮化硅条的光子波导管，如图3中301、302、303、304所示部分和图6中601、602、603、606所示部分。所述电路还包括设置在所述传感器两端101,110用于作光输入/输出的光学耦合结构。它还包括光分光器和光组合器，用于在所述第一MZI(传感器)的第一联接点102进行光分离和在所述第一MZI(传感器)112第二联接点109处进行光组合。它可以是星形联接或多模式干涉耦合器MMI。
所述电路进一步包括可变光学衰减器VOA 111，其实际使用附加第二MZI，嵌套在第一MZI中，用于部署用于在第二MZI第一联接点进行光分离和和在所述第二MZI第二个联接点进行光组合的分光器105和光学组合器108。
它还包括热光移相器104,106，用于调谐每个MZ参考臂中的光信号相位I，即所述第一传感器112和第二VOA 111。通过在一段光子波导管顶部上并沿着光的传播方向沉积彼此平行的两条金属条形成热光移相器。
其中还包括等离子体波导管，其设置在所述第一MZI的上支路103中，用于通过在金属-分析物界面耦合表面等离子体激元SPP限制光传播。所述等离子体波导管由贵金属，诸如金(Au)或银(Ag)；低成本金属，诸如铜(Cu)、铝(Al)、氮化钛(TiN)或其他CMOS兼容金属制成。等离子体波导管可以用以下两种波导管中的任何一种来制作：第一，薄膜波导管TFW，其由薄金属条组成，借助通过蚀刻顶部氧化物包层和仅一段光子波导管氮化硅芯而形成的空腔直接沉积在氧化物覆盖层上，如图5所示，或由称为混合等离子体光子槽式波导管HPPSW组成的波导管，其包括两条平行金属线，其中，所述金属线直接沉积在波导管预定段顶部上，无需空腔或其他处理步骤，如图2所示。在这种情况下，金属条下面的光子波导管是中断的，无需额外掩模或处理步骤。等离子体槽和移相器可以用单一步骤直接沉积在光子波导管顶部上，形成甚至更低成本的传感器，后续无需蚀刻光子波导管，只需单个金属层沉积步骤，如图4所示。为了在单个掩模中设计HPPSW和热光学移相器(加热器)，在传感器掩模设计期间，确定用距离WSlot表示的金属条间隔数值以及金属条长度和宽度。利用定向耦合器使来自光子波导管的光耦合到等离子体槽并返回到光子波导管。图2所示等离子体槽的前后端的等离子体圆锥也可用于提高耦合效率。
Figure GDA0003557884830000161
表1
表1显示了当省略材料分散时灵敏度随最佳偏置MZI中测量的TFPW和HPPSW自由光谱范围增加如何提高。
以下描述光子和等离子体波导管组件。本发明设置的光子波导管基于化学计量的Si3N4技术，其横截面尺寸为360×800nm，并且在偏振TM和偏振TE的1550nm光学波长下支持两种感兴趣的引导光子模式。然而，如果支持支持光学模式到等离子体波导管的转变，也可以使用其他尺寸的光子波导管。
基于该波导管结构和所述两种类型的等离子体波导管，在本发明的两个方面中部署光子-等离子体界面。第一个类型涉及基于薄膜等离子体波导管(TFW)的对接耦合场景的光子-等离子体转换模式，如图5和图6所示，其需要TM偏振光，第二个类型涉及基于混合等离子体波导管波导管(HPPSW)定向耦合方案的转移，如图2、3和4所示，其需要TE偏振光。在这两种情况下，光子结构都是Si3N4矩形波导管，其尺寸经过精心选择，因此可以提供必要的耦合机制，同时符合制造限制。
对于混合槽波导管，利用定向耦合机制，同时遵循所用波导管的混合特性。该混合波导管可以支持模式，特别是在其等离子体和光子部分中的场分布，如果适当设计，则可以表现出准偶数或奇数对称性。然后可以将功率交换视为这两种模式之间的跳动的结果。图3示出了该波导管配置的横截面，其包括Si3N4总线波导管-光子部分和金属槽-等离子部分-位于Si3N4波导管上方。在两个波导管之间，即光子和等离子体波导管，有一层低温氧化物(LTO)，其用作光子波导管包层，和混合槽波导管的垫层。
混合波导管可以在其等离子体和光子部分中支持场分布模式。二维特征值分析给出了所有可能的几何参数组合，从而可以支持具有偶对和奇对称的混合模式。经过彻底调查后，选择了适当的几何设置，例如Wslot＝200nm，Si3N4宽度：WSiN＝700nm和LTO厚度：hLTO＝总共660nm，因此不仅感兴趣的模式表现出必要的对称性，而且导致小的耦合长度。在这种情况下，有效地将功率从等离子体传递到光子部分所需的近似耦合长度估计为约7μm。尺寸可能因模拟工具和参数而异。
3D FDTD电磁仿真用于验证结果并旨在向后微调。在该3D几何模型中，感兴趣的混合波导管由TE光子模式激发，并且Si3N4总线波导管在7μm(Lc)的长度之后中断。如图4中平面A所示，经证明中断在耦合效率方面有益，因为它可以防止任何微小的功率泄漏到光子部件。根据FDTD模拟，这种混合基构可以有效地将光从光子传输到等离子体部分，并且传输回来，当使用金作为金属时，每次其效率可以达到68％/转换。光子圆锥被部署用于使光子波导管的光子模式匹配等离子体波导管的模式。
CMOS金属用于混合缝隙波导管部件以遵循相同设计工序。由于为此目的而修改的唯一部分是金属槽，因此重复先前提出的两步分析：通过2D本征模分析分析了类似于图2所示的混合结构。检测到两个偶数和奇数对称模式，并计算了必要的耦合长度。然后，通过3DFDTD模型模拟整个波导管结构，以估计从光子部分到等离子体部分和等离子体部分至光子部分的耦合效率。正如预期的那样，通过用感兴趣的TE偏振Si3N4 25模式激发该混合结构的光子部分，以及在Lc＝6μm的长度之后中断Si3N4总线波导管，当使用Al时，光可以以至少为60％的功率效率有效地从光子部分传输到等离子体部分，当使用Cu时，光可以以74％的功率效率有效地从光子部分传输到等离子体部分。
在本发明的一方面，HPPSW用作传感等离子体波导管，传感器芯片中的等离子体波导管和加热器可以同时沉积在相同水平的芯片材料堆叠上，作为单金属层制造工艺的最后阶段，从而简化生产过程和降低传感器生成成本。应注意的是，对于HPPSW和加热器结构，氧化物分离层相同。
在图5和图6所示用于薄膜波导管的光子-到-等离子体界面结构中，光子波导和等离子体波导管之间的耦合机制基于两种感兴趣模式的空间匹配。为此，采用了包括光子Si3N4波导管和等离子体Au基薄膜结构的对接耦合方案。放置两个波导管结构，使得其中一个波导管结构的输入电平与另一个波导管结构的输出电平一致。设计过程旨在检测每个波导管的精确几何参数，以便光可以有效地从光子部分传递到等离子体部分，反之亦然。朝着这个方向，首先，在2D特征值分析方面分别分析了两个波导管。通过需要TM偏振的偏振和场分布彼此匹配来选择两个感兴趣的本征模之后，已经利用基于功率重叠积分计算的参数分析来获得这种结构的功率耦合能力的第一指示性估值。第二步中，已经通过3D FDTD模拟在验证了该估值。
薄膜等离子体波导管包括放置在SiO2层上方的薄金属膜和作为顶部包覆材料的水，以最佳地模拟生物传感应用环境。从等离子体部件2D特征值分析开始进行调查。本结构能够支持主要集中在金属-包层界面上的等离子体模式，其模态特性主要取决于金属条纹和包层材料的几何形状。图5和图6用透视图和侧视图描绘了该波导管的几何形状。
对于光子-到-等离子体界面，已经分别分析了Si3N4光子波导管以研究感兴趣的光子TM模式的特征，特别是偏振、场分布。然后，特征值分析-Si3N4和薄膜波导管-都被考虑在内，并且仔细选择两个部件的几何设置以在空间和偏振方面满足模态匹配。在又一个步骤中，已经在对接耦合设置中组合两个波导管结构，其中一个如图5和图6所示。通过3D FDTD模拟分析了从光子部件到等离子体部件的单一过渡的3D模型。通过适当地调整两个波导管尺寸，示出了可以最大化从光子模式到等离子体模式的功率传输，反之亦然。更具体地，在对功率重叠积分计算进行彻底研究之后，对于Si3N4和金属膜，两个感兴趣的波导管的横截面尺寸分别已被设定为360nm×7.5μm和100nm×7μm。然后，研究了它们在界面设置中的确切位置，以最大限度度地提高耦合效率，其中，如图6所示，h偏移作为垂直偏移，L偏移作为的横向偏移。数值模拟表明，当使用金作为薄膜金属时，垂直偏移量可以达到400nm，并且最大耦合效率可以达到约64％。
可以使用CMOS金属代替金，以便大规模制造生物传感器芯片。结果表明，分别使用Al和Cu时，从光子部分到等离子体部分的透光率(耦合效率)分别为60％和68％。也可以使用TiN或其他CMOS相容金属化合物。
与混合波导管类似，为了完成该光子-到-等离子体界面，还设计和使用了使用先有技术的光子圆锥，以便将Si3N4宽度从800nm调节到7.5μm。
用于光子波导管顶部包层的氧化物材料的其他实例是LTO、SiO2、SU8或具有用于本发明所有方面的类似光学性质的其他氧化物。
具有所有上述部件的完整传感器可以单片集成在单个芯片上，并通过使用大型CMOS晶圆和电子IC工厂，以在提供颠覆性灵敏度性能的同时，降低每个传感器芯片的成本。可替代地，在本发明的一方面，其中，等离子体波导管采用金或银，在CMOS工厂外或在可提供金或银的沉积工艺的CMOS工厂特殊制造部分需要额外金属沉积工艺。
关于传感器设计方法，在本发明中，等离子体波导管的有效折射率取决于用已知表面功能化方法测试的与等离子体波导管结合的受试液体或气体中目标基质的浓度。等离子体波导管有效折射率的变化导致MZI传感器光谱谐振出现偏移。对比谐振偏移相与液体折射率变化，确定生物传感器的灵敏度。通过使用以下公式1计算传感器的体积灵敏度
Figure GDA0003557884830000201
其中λ是光信号波长，nliq是应用液体的折射率，并且neff是等离子体波导管中的模式有效折射率，详细信息见Xu Sun等人的《基于设有双槽混合等离子体波导管的的马赫曾德尔干涉仪的高灵敏度液体折射率传感器》。美国光学学会《光学快报》第3卷，2015年11月25日。
因为光学模式的大部分电场在等离子体波导管的水-金属界面中传播，而在光子传感波导管中，光学模式的消逝场与受试分析物之间的空间重叠小很多，所以等离子体波导管使第二项的值最大化。
通过使用在此描述的具有上述所有部件的实施例最佳偏置干涉仪，使得等式1的第一项的值最大化。具体地，一旦MZ分路之间的光学路径被设计用于特定自由光谱范围，则使用图1所示MZI2 111中的加热器1和加热器2 106来实现所公开传感器的偏置优化。
为优化下分路的光路，包括图1所示加热器1，从而使得上分路和下分路的光之间的相对相位变化是特定操作波长2TT弧度的倍数。与此同时，制造过程期间，在引入制造误差之后，使用加热器1对光程差进行重新调整。如果开启加热器1，通过向两个金属条施加电功率，即直流电压，来进行重新调整。需要用光功率计来监视MZI上分路和下分路之间的光程差，如所属领域的技术人员熟知的。
为了优化下分路的光功率，MZI 2中包括图1所示加热器1，从而使得下分路的光损耗等于上分路的光损耗。MZI 2作为可变光衰减器VOA运行，该可变光衰减器VOA用于平衡MZI两个分路处的光功率。通过向加热器2的两个金属条施加电功率(DC电压)来实现平衡。如所属领域的技术人员所知的一样，两个分路的相等损耗将使干涉仪消光比达到最大值，从而有效地增加感测测量的灵敏度(分辨率)。
一旦确定平衡加热器1和加热器2中的干涉仪所需的主要DC电压，则应用迭代方法在2个DC电压之间对这些电压进行微调，以完全优化干涉仪的偏置。一旦实现这一点，就在MZI1输出110处获得701波长谐振。然后，通过先有技术方法，例如流体室、或手动方式，将受试分析物附着在等离子体波导管107上，并且在传感器的输出端测量干涉仪谐振，并且测量光谱中的谐振偏移，如图7所示。谐振偏移702-705取决于受试分析物的折射率变化。为了进行此类测量，在图8和图9中绘制了方程1的第一项和第二项，以得出传感器装置的总灵敏度值。
利用这种方法，通过1164nm FSR传感器电路的等式1计算，使用TFW时，灵敏度为11,792nm/RIU，使用数字建模工具的HPPSW时，灵敏度为162,000nm/RIU。通过相应地设计光程差并遵循所公开传感器的相同优化方法，可以实现更小或甚至更大的FSR，即更低或更高的灵敏度。
此外，还提供了一种传感器测量方法。可以使用三种不同的询问方法测量所公开装置的折射率变化：
第一种方法包括使用可调谐激光器和功率计测量第一MZI谐振的光谱位移：传感器输入端需要可调谐激光源作为光源，并且传感器输出端需要功率计。和所属领域的技术人员所知的一样，传感器在等离子体波导管上应用分析物之前和之后的光谱响应变化将显示谐振的光谱偏移；
另一种方法包括使用宽带光源和光谱分析仪测量第一个MZI谐振的光谱位移：传感器输入端需要宽带光源，如白光源、LED或LED阵列或任何其他类型的宽带光源作为光源，并且传感器输出端需要光谱分析仪。和所属领域的技术人员所知的一样，在等离子体波导管上应用分析物之前和之后，传感器的光谱响应变化将显示谐振的光谱位移；
又一种方法包括使用单波长源对等离子体波导管进行相移测量：对于与上述相同的自由光谱范围，可以通过在传感器输入端注入单个波长的光，以及用功率计测量第一MZI输出端的光功率来直接将折射率变化与相移相关联。和所属领域的技术人员所知的一样，正弦波功率波动与时间的关系提供了弧度相移。
本发明的另一方面包括多路复用MZI结构和波长选择性光学滤波器，以便使用相同的芯片同时检测多种物质，也称为多通道感测。如图10所示，结合上述实施例解决同时检测三种物质的问题。
使用上述实施例的图10所示三个嵌套MZI传感器包括如前述实施例所述的具有等离子体波导管1007的三条上部支路和具有加热器1005和VOA 1008的三条下部支路。所有三个MZI均在芯片输入和输出端采用常用分光器和常用光组合器。每个MZI传感器使用三个波长中的单独波长，该三个波长通过光分路器1003同时注入生物传感器中。每个MZI还包括在其支路输入端和输入分光器之后的光学滤波器1006，以从输入光学信号中选择其操作波长。光学滤波器可以选用先前技术中常见的环形谐振器或具有类似功能的其他光学滤波器。
该实施例的另一个方面是部署WDM多路复用器取代输入公共耦合器和光学滤波器，诸如阵列波导管光栅AWG、基于布拉格光栅的多路复用器或具有类似功能的其他WDM多路复用器。
根据用户要求和芯片占用空间大小，可以在单个芯片上集成更多感测通道。

Claims (14)

1.一种集成式等离子体光子生物传感器，包括至少一个光学干涉测量传感器，所述光学干涉测量传感器是第一马赫曾德尔干涉测量传感器，具有数十纳米到数百纳米的自由光谱范围；其中等离子体波导管(107)包括薄膜或混合槽波导管，用作平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件；
一组具有高折射率氮化硅条(303, 603)的光子波导管，其夹设在低折射率氧化物衬底和低折射率氧化物覆板之间，所述氧化物衬底包括SiO2衬底，所述氧化物覆板包括低温氧化物覆板；
光学耦合结构，其设置在所述传感器两端，用于光输入/输出；
所述光学耦合结构包括分光器和光组合器，所述分光器用于在所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器的第一联接点(102)进行光分离，所述光组合器在所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器的第二联接点(109)进行光组合，所述光学耦合结构是星形联接/定向耦合器或多模式干涉耦合器；
其中，等离子体波导管（107）设置在所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器的上支路(103)上，用于通过在金属分析物界面与表面等离子体激元耦合限制光传播，
其特征在于，所述集成式等离子体光子生物传感器包括附加光学干涉测量元件，第二马赫曾德尔干涉测量传感器布置在所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器的参考臂中，所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器和第二马赫曾德尔干涉测量传感器均包括第一热光移相器(104)和第二热光移相器（106)，其作为可变光衰减器用于最佳地偏置所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器和第二马赫曾德尔干涉测量传感器；进一步包括整个芯片；
所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器具有可变光学衰减器的功能，包括在其中的所述第一热光移相器(104)和第二热光移相器（106)分别用于在所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器的第一联接点进行光分离以及在所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器的第二联接点进行光组合的分光器和光组合器，
一组所述第一热光移相器(104)和第二热光移相器（106)用于调谐第一马赫曾德尔干涉测量传感器和第二马赫曾德尔干涉测量传感器的参考臂中的光信号相位；其中通过在一段光子波导管顶部上并沿着光的传播方向沉积彼此平行的两条金属条形成所述热光移相器。
2.根据权利要求1所述的集成式等离子体光子生物传感器，其特征在于，所述等离子体波导管由贵金属制成，所述贵金属是金或银；
或者，所述等离子体波导管由非贵金属制成，所述非贵金属是铜、铝或CMOS兼容金属化合物。
3.根据权利要求2所述的集成式等离子体光子生物传感器，其特征在于，所述等离子体波导管由包括薄金属条的薄膜波导管制成，所述薄金属条借助通过蚀刻顶部氧化物包层和仅一段光子波导管氮化硅芯而形成的空腔直接沉积在氧化物覆板上；
或者，所述等离子体波导管由混合等离子体光子槽式波导管制成，其包括两条平行金属条，所述金属条直接沉积在波导管预定段顶部上，无需空腔或额外处理步骤；其中，在光刻期间，金属条下面的光子波导管是中断的，无需额外掩模或处理步骤；其中在单步骤中使用单一金属层沉积步骤将等离子体槽和第一热光移相器(104)直接沉积在光子波导管顶部，无需蚀刻等离子体波导管；其中，为了在单个掩模中分别设计混合等离子体光子槽式波导管和第一热光移相器 (104)，在传感器掩模设计期间，确定金属条间隔数值及金属条长度和宽度；其中包括定向耦合器，用于将来自光子波导管的光耦合到等离子体槽并返回光子波导管，其中等离子体槽前后端的光子波导管等离子体圆锥还用于提高耦合效率。
4.根据权利要求1所述的集成式等离子体光子生物传感器，其特征在于，所述等离子体波导管的所述高折射率氮化硅条(303, 603)设置在作为低折射率氧化物衬底的SiO2衬底和作为低折射率氧化物覆板的低温氧化物覆板之间；
或者，所述高折射率氮化硅条(303, 603)设置在由具有相似折射率的除SiO2和低温氧化物之外的氧化物制成的相应基质之间。
5.根据权利要求4所述的集成式等离子体光子生物传感器，其特征在于，所述高折射率氮化硅条由Si、绝缘硅或TiO2制成；
或者，所述高折射率氮化硅条由Al、Cu、TiN或Al、Cu、TiN的化合物制成。
6.根据权利要求1所述的集成式等离子体光子生物传感器，其特征在于，包括双向垂直的光栅耦合器，所述双向垂直的光栅耦合器用于第一马赫曾德尔干涉测量传感器的光输入和输出，所述双向垂直的光栅耦合器包括分光器及光组合器。
7.一种包括权利要求1-6任一项所述的集成式等离子体光子生物传感器的用于同时检测同一芯片上的多种物质的设备，其特征在于，所述设备包括多个具有等离子体波导管的上支路和与所述上支路数量相同且具有热光移相器和可变光学衰减器的下支路，其中分光器和光组合器分别布置在芯片输入和输出端，用于所有马赫曾德尔干涉测量传感器；其中第一马赫曾德尔干涉测量传感器和第二马赫曾德尔干涉测量传感器使用波长数量相同的单独波长，这些波长通过光学器件同时注入生物传感器中的分光器，其中每个马赫曾德尔干涉测量传感器还包括在布置在其分路输入端和输入分路器之后的光滤波器，以从输入光信号中选择其操作波长，其中所述光滤波器包括环形谐振器。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，集成光源和光电探测器，分别布置在所述设备的输入端和输出端，所述集成光源包括VCSEL、LED、和宽带光源；其中所述集成光源和所述光电探测器使用倒装芯片或晶片键合或芯片焊接或外延生长方法集成在光栅耦合器上方或所述光子波导管的相同水平上。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，集成光源和光电探测器的阵列布置在所述设备的输入端和输出端；其中所述光源和所述光电探测器使用倒装芯片或晶片键合或芯片焊接或外延生长方法集成在所述光栅耦合器上方或所述光子波导管的相同水平上。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备包括垂直电通孔，通过集成在同一芯片上的电子电路3D连接所述热光移相器并对其进行电控制。
11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备包括附加流体通道，所述附加流体通道附着在所述等离子体波导管表面上，以使预定溶液或分析物在等离子体换能器元件上流动。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，在所述等离子体换能器表面设置附加捕获层，用于检测特定生物和/或化学物质。
13.根据权利要求1至6任一项所述的集成式等离子体光子生物传感器或根据权利要求7至12任一项所述的设备的设置方法，其特征在于，所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器的下分路设置相同尺寸的附加非功能化等离子体波导管，引导目标分析物在所述附加非功能化等离子体波导管上流动，并且消除了有害的粘结或噪声。
14.根据权利要求1至6任一项所述的集成式等离子体光子生物传感器或权利要求7至12任一项所述的设备的使用方法，其特征在于，它包括以下步骤：
通过包括在马赫曾德尔干涉测量传感器中的所述热光移相器，将所述马赫曾德尔干涉测量传感器最佳地偏置用作可变光衰减器，
其中，将嵌套到所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器中的所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器用作所述可变光学衰减器，分别在所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器的第一联接点处部署用于光分离的分光器以及在所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器的第二联接处部署用于光学组合的光组合器，
通过所述热光移相器调谐所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器和第二马赫曾德尔干涉测量传感器的参考臂中的光信号相位；在光子波导管顶部且沿着光传播方向沉积两个彼此平行的金属条，以此形成热光移相器；
所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器嵌套在所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器中，在其参考臂中设置热光移相器，所述第二马赫曾德尔干涉测量传感器用作可变光学衰减器，通过所述热光移相器的驱动信号控制所述热光移相器；
其中所述可变光学衰减器控制所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器参考臂中的信号强度；而所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器参考臂中的所述热光移相器允许控制所述参考臂中的光束相位，因此允许控制所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器参考臂中的场幅度，使得所述第一马赫曾德尔干涉测量传感器可以在所需工作点通过电信号实现平衡和偏置。
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