CN116338855A - Isors光子芯片及无创组分检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ISORS光子芯片及无创组分检测系统，该ISORS光子芯片包括透明衬底及位于透明衬底上的耦入光栅、单模波导、多模干涉分光器和出射光栅，其中，耦入光栅包括耦入光栅部及第一波导部；单模波导的输入端与第一波导部的输出端连接；多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个多模干涉分光器构成级联结构；多个出射光栅分别与级联结构中最后一级的多模干涉分光器的输出端连接，且多个出射光栅呈预设图案排布以在透明衬底上围成激发光信号区。本发明通过耦入光栅及出射光栅的结构的改进，可以实现在可见光波段对生物组织组分进行无创检测。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路领域，涉及一种ISORS光子芯片及无创组分检测系统。
背景技术
空间偏移拉曼光谱技术(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)是一种近年来新兴的无创非侵入式生物医学检测技术。与传统拉曼光谱共轴背散射的激发-收集方式不同，空间偏移拉曼的收集位置与激发光位置有一定空间距离。由于较深层激发光子在样品中发生横向随机运动的几率比在浅层中的激发光子更高，因此通过收集不同空间偏移下的拉曼散射光，就能获得样品中不同厚度层的分子信息。从这个角度看，空间偏移可以发生在收集端，例如使用光学透镜围绕激发光斑外不同半径距离做环形收集，但缺点是激发光斑的聚焦会产生热量，不适用于活体的实时检测。另一种技术方案，也被称为反向空间偏移拉曼光谱(Inverted Spatially Offset Raman Spectroscopy，ISORS)是采用不同半径的环形光源产生空间偏移激发，随后在环形的中心处进行收集，这样就能避免激光能量过于聚焦所产生的热量问题。
基于氮化硅光子集成电路的可见光波段空间偏移光芯片，目前尚未有文献或专利报道。而在硅基光子集成电路(例如SOI)中有报道过类似的片上被动光源技术方案。例如，在C.R.Doerr的论文(C.R.Doerr and L.L.Buhl,"Circular grating coupler forcreating focused azimuthally and radially polarized beams"Optics Letters,vol.36,no.7,pp.1209-1211,2011/04/012011)中，研究人员在220nm厚度SOI芯片上设计并制造了基于多模干涉分光器(MMI)并利用圆弧形光栅耦合器在芯片平面上方产生可以在方位角或径向方向上偏振的圆形光场分布。然而该设计需要保证每一路MMI到达光栅的相位差一致，也就是波导长度要一致，并且所需要的圆弧形光栅数量众多，这些都对芯片制造工艺的容忍度提出很高的要求。在J.Sun的论文(J.Sun,A.Yaacobi,M.Moresco,D.D.Coolbaugh,and M.R.Watts,"Chip-Scale Continuously Tunable Optical OrbitalAngular Momentum Generator"arXiv:Optics,2014)的设计中，其分光器件则换成了定向耦合器。光在通过圆形波导途中被多个定向耦合器捕获并传播到终端的圆弧形光栅耦合器中进行出射。但由于定向耦合器的耦合效率对耦合区域的长度和间隙非常敏感，因此要保证最终出射光场的均匀性就需要保证定向耦合器的制备具有很低的工艺误差。此外，以上两个设计中所使用的光栅结构都无法在离开芯片平面较远处保证一个较小的空间发散，使该芯片不适用于工作距离在毫米量级以上的ISORS应用中。再者，由于硅基器件对可见光波段不透明，因此无法应用于生物组织的组分的检测。
综上所述，急需寻找一种能够工作在可见光波段并实现ISORS功能的ISORS光子芯片。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种ISORS光子芯片及无创组分检测系统，用于解决芯片级无创非侵入式生物组织组分检测的无法实现的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种ISORS光子芯片，包括：
透明衬底；
耦入光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述耦入光栅包括依次相连的耦入光栅部及第一波导部；
单模波导，位于所述透明衬底的上表面，所述单模波导的输入端与所述第一波导部的输出端连接；
多个多模干涉分光器，位于所述透明衬底的上表面，所述多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个所述多模干涉分光器构成至少两级的级联结构，位于所述级联结构的第一级的所述多模干涉分光器的输入端与所述单模波导的输出端连接，所述级联结构中所述多模干涉分光器的输入端与上一级所述多模干涉分光器的输出端连接；
多个出射光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述出射光栅分别与所述级联结构中最后一级的所述多模干涉分光器的输出端连接，且所述出射光栅呈预设图案排布以在所述透明衬底上围成激发光信号区。
可选地，所述耦入光栅部包括第一光栅层及位于所述第一光栅层下方的对比光栅层。
可选地，所述第一光栅层的材质包括氮化硅。
可选地，所述对比光栅层的材质包括非晶硅。
可选地，所述对比光栅层的反射系数不低于99％。
可选地，所述第一波导部包括依次连接的第一楔形波导及出射波导，所述第一楔形波导与所述出射波导连接处的宽度小于所述第一楔形波导远离所述出射波导一端的宽度。
可选地，所述出射光栅包括依次相连的出射光栅部及第二波导部，所述第二波导部包括依次相连的第二楔形波导及出射波导，所述第二楔形波导远离所述出射波导的一端与所述出射光栅部连接。
可选地，所述出射光栅部包括位于所述透明衬底上的第四透明包层、位于所述第四透明包层上的第二光栅层及覆盖所述第二光栅层显露表面的第五透明包层。
可选地，所述第二光栅层中包括多个呈阵列排布的刻蚀段。
本发明还提供了一种无创组分检测系统，包括：
上述所述的ISORS光子芯片；
光纤，包括第一端及第二端，所述第二端与所述ISORS光子芯片中的所述耦入光栅部连接；
激光器，出光口与所述第一端连接；
信号收集系统，位于所述ISORS光子芯片的正下方，以收集待测生物组织表层散射出的光信号，所述信号收集系统与所述透明衬底间隔预设距离。
如上所述，本发明ISORS光子芯片及无创组分检测系统通过对所述耦入光栅和所述出射光栅的结构的改进，于所述第一光栅层的下方设置所述对比光栅层，使所述耦入光栅的反射系数得到了提升，继而提高了所述耦入光栅的耦合效率；利用二维非均匀光栅作为所述出射光栅中的所述第二光栅层，并调控所述第二光栅层中各所述刻蚀段在水平和竖直维度上的周期和占空比，以减少所述刻蚀段前端部分出射的能量，使所述第二光栅层中各所述刻蚀段之间出射能量的方差最小，继而保证从所述第二光栅层出射的光场分布均匀；利用光栅出射光斑在远场下的空间发散度与光栅的发光面积成反比的关系，并基于所述ISORS光子芯片所需要的发光面积，对所述第二光栅层中各个所述刻蚀段的面积进行调控，以减小所述第二光栅层出射的光斑在远场下的空间发散度，继而使所述光子芯片的工作距离得到增大，且所述ISORS光子芯片的工作距离可以达到毫米量级以上；此外，所述ISORS光子芯片通过与发射出可见光的所述激光器及所述信号收集系统的结合，可以实现对生物组织的组分检测的同时对生物组织无损伤，具有高度产业利用价值。
附图说明
图1显示为本发明的ISORS光子芯片的立体结构示意图。
图2显示为本发明的ISORS光子芯片的耦入光栅的结构示意图。
图3显示为本发明的ISORS光子芯片的耦入光栅部的剖面结构示意图。
图4显示为本发明的ISORS光子芯片的级联结构的结构示意图。
图5显示为本发明的ISORS光子芯片的出射光栅的结构示意图。
图6显示为本发明的无创组分检测系统的激光器与ISORS光子芯片部分的示意图。
图7显示为本发明的无创组分检测系统的检测待测生物组织组分的过程的示意图。
附图标号说明
1 ISORS光子芯片
11 透明衬底
2 耦入光栅
21 耦入光栅部
211 第一光栅层
212 对比光栅层
213 第一透明包层
214 第二透明包层
215 第三透明包层
22 第一波导部
221 第一楔形波导
222 出射波导
3 单模波导
4 多模干涉分光器
5 级联结构
6 出射光栅
61 出射光栅部
611 第二光栅层
612 刻蚀段
613 第四透明包层
614 第五透明包层
62 第二波导部
621 第二楔形波导
622 入射波导
7 激光器
8 光纤
9 信号收集系统
91 待测生物组织
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种ISORS光子芯片，如图1所示，为所述ISORS光子芯片的结构示意图，包括透明衬底11、耦入光栅2、单模波导3、多模干涉分光器4及出射光栅6，其中，所述耦入光栅2位于所述透明衬底11的上表面，所述耦入光栅2包括依次相连的耦入光栅部21及第一波导部22，所述单模波导3位于所述透明衬底11的上表面，所述单模波导3的输入端与所述第一波导部22的输出端连接；多个所述多模干涉分光器4位于所述透明衬底11的上表面，所述多模干涉分光器4至少分成两路输出端；多个所述多模干涉分光器4构成至少两级的级联结构5，位于所述级联结构5的第一级的所述多模干涉分光器4的输入端与所述单模波导3的输出端连接，所述级联结构5中所述多模干涉分光器4的输入端与上一级所述多模干涉分光器4的输出端连接；多个所述出射光栅6位于所述透明衬底11的上表面，所述出射光栅6分别与所述级联结构5中最后一级的所述多模干涉分光器4的输出端连接，且所述出射光栅6呈预设图案排布以在所述透明衬底11上围成激发光信号区。
具体的，所述透明衬底11的材质包括玻璃、石英或者其他适合的透明材质。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，所述透明衬底11的厚度及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
作为示例，如图2及图3所示，分别为所述耦入光栅2的结构示意图及所述耦入光栅部21的剖面结构示意图，所述耦入光栅部21包括第一光栅层211及位于所述第一光栅层211下方的对比光栅层212。
具体的，所述耦入光栅部21还包括第一透明包层213，所述第一透明包层213位于所述对比光栅层212与所述透明衬底11之间，即所述第一透明包层213形成于所述透明衬底11的上表面，所述对比光栅层212形成于所述第一透明包层213的上表面。
具体的，形成所述第一透明包层213的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或者其他适合的方法。
具体的，所述第一透明包层213的材质包括氧化硅或者其他适合的透明材质。本实施例中，采用氧化硅层作为所述第一透明包层213。
具体的，在保证所述耦入光栅2的性能的情况下，所述第一透明包层213的厚度可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，形成所述对比光栅层212包括以下步骤：于所述第一透明包层213的上表面形成对比光栅材料层，并于所述光栅材料层的上表面形成图案化的第一光刻胶层；基于图案化的所述第一光刻胶层刻蚀所述对比光栅材料层，以得到所述对比光栅层212。
具体的，形成所述对比光栅材料层的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或者其他适合的方法。
具体的，形成图案化的所述第一光刻胶层的方法为常用的光刻胶涂布、显影的方法，这里不再赘述。
具体的，刻蚀所述对比光栅材料层的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀或者其他适合的刻蚀方法。
具体的，形成所述对比光栅层212之后，还包括去除所述第一光刻胶层的步骤，且去除所述第一光刻胶层的方法为普通的光刻胶去除方法，这里不再赘述。
作为示例，所述对比光栅层212的材质包括非晶硅或者其他适合的高折射率材质。本实施例中，采用非晶硅作为所述对比光栅层212，且由于所述对比光栅层212的材质为非晶硅，而非晶硅的形成工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容，可以于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)透明衬底11及要求无金属污染的工艺平台上形成所述对比光栅层212。
具体的，所述对比光栅层212为亚波长高折射率光栅，以作为所述耦入光栅部21的反射镜，用来增强所述耦入光栅部21的方向性。
具体的，在保证所述耦入光栅2的性能的情况下，所述对比光栅层212的光栅参数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述第一光栅层211与所述对比光栅层212之间还设有覆盖所述对比光栅层212的第二透明包层214。
具体的，在保证所述耦入光栅部21的性能的情况下，所述第二透明包层214的厚度可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述第二透明包层214的材质包括氧化硅或者其他适合的透明材料。
具体的，形成所述第二透明包层214的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或者其他适合的方法。
作为示例，所述第一光栅层211的材质包括氮化硅或者其他适合的材料。
具体的，在保证所述耦入光栅2的性能的情况下，所述第一光栅层211的光栅参数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，形成所述第一光栅层211包括以下步骤：形成覆盖所述第二透明包层214的上表面的光栅材料层，并于所述光栅材料层的上表面形成图案化的第二光刻胶层；基于图案化的所述第二光刻胶层一次刻蚀所述光栅材料层以得到所述第一光栅层211，且在刻蚀的过程中控制所述第一光栅层211的光栅参数(周期及占空比)，以使所述第一光栅层211的光栅参数满足与入射光对应的布拉格条件，继而使空间中的光耦入到所述第一光栅层211中，使入射光能够在波导中传播。
具体的，形成所述光栅材料层的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或者其他适合的方法。
具体的，在保证所述第一光栅层211的性能的情况下，所述第一光栅层211的光栅参数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，形成图案化的所述第二光刻胶层的方法为常用的光刻胶涂布、显影的方法，这里不再赘述。
具体的，刻蚀所述光栅材料层的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀或者其他适合的刻蚀方法。
具体的，形成所述第一光栅层211之后，还包括去除所述第二光刻胶层及形成覆盖所述第一光栅层211显露表面的第三透明包层215的步骤。
具体的，去除所述第二光刻胶层的方法为常规的光刻胶去除方法，这里不再赘述。
具体的，形成所述第三透明包层215的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积或者其他适合的方法。
具体的，所述对比光栅层212中的光栅位于所述第一光栅层211中相邻两个光栅之间的狭缝的正下方，以有效回收入射到所述第一光栅层211表面后漏到所述透明衬底11的光。
作为示例，所述对比光栅层212的反射系数不低于99％，即通过所述对比光栅层212反射到所述第一光栅层211的反射系数达到99％以上。本实施例中，通过对所述对比光栅层212及所述第一光栅层211的折射率和光栅参数选择，可以使所述对比光栅层212的反射系数高达99.8％，媲美铝、铜等金属材料。
作为示例，所述第一波导部22包括依次连接的第一楔形波导221及出射波导222，所述第一楔形波导221与所述出射波导222连接处的宽度小于所述第一楔形波导221远离所述出射波导222一端的宽度。
具体的，所述出射波导222的波导类型包括单模光波导或者其他适合的波导类型。本实施例中，采用单模光波导作为所述出射波导222。
具体的，所述第一楔形波导221的材质包括氧化硅、氮化硅中的至少一种。
具体的，在保证所述耦入光栅2的性能的情况下，所述第一楔形波导221的尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述出射波导222的材质包括氧化硅、氮化硅中的至少一种。
具体的，在保证所述耦入光栅2的性能的情况下，所述出射波导222的尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述单模波导3的材质包括氧化硅、氮化硅或者其他适合的材质。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，所述单模波导3的尺寸、长度及类型可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，所述多模干涉分光器4的输出端的个数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。本实施例中，所述多模干涉分光器4为一分二类型的分光器，即所述多模干涉分光器4中设有一个输入端和两个输出端。
具体的，为了保证激光的高效传输，所述多模干涉分光器4的输出端为光输出部分为单模光波导，所述多模干涉分光器4的输入端的光输入部分为单模光波导。
具体的，如图4所示，为所述级联结构5的结构示意图，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，所述级联结构5中每级所述多模干涉分光器4的个数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。本实施例中，所述级联结构5为三极级联结构5，且每级的所述多模干涉分光器4均采用一分二类型的多模干涉分光器4，所述多模干涉分光器4的输出端相对且对称排布，即所述级联结构5的第三级设有四个一分二的所述多模干涉分光器4(所述级联结构5的第三级结构中设有8个输出端)。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，每个所述多模干涉分光器4的输入端的长度及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制；每个所述多模干涉分光器4的输出端的长度及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
作为示例，如图5所示，为所述出射光栅6的结构示意图，所述出射光栅6包括依次相连的出射光栅部61及第二波导部62，所述第二波导部62包括依次相连的第二楔形波导621及出射波导222，所述第二楔形波导621远离所述出射波导222的一端与所述出射光栅部61连接。
具体的，所述出射光栅部61的形状包括四边形或者其他适合的形状。本实施例中，所述出射光栅部61的形状为正方形。
作为示例，所述出射光栅部61包括位于所述透明衬底11上的第四透明包层613、位于所述第四透明包层613上的第二光栅层611及覆盖所述第二光栅层611显露表面的第五透明包层614。
具体的，所述第四透明包层613的材质包括氧化硅或者其他适合的材料。本实施例中，采用氧化硅作为所述第四透明包层613。
具体的，在保证所述出射光栅6的性能情况下，所述第四透明包层613的厚度及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述第二光栅层611的材质包括氮化硅或者其他适合的材质。本实施例中，所述第二光栅层611中的光栅的材质为氮化硅。
具体的，采用全刻蚀波导工艺或者其他适合的方法形成所述第二光栅层611。本实施例中，采用全刻蚀波导工艺形成所述第二光栅层611，即采用一次刻蚀工艺形成所述第二光栅层611，降低了工艺难度。
作为示例，所述第二光栅层611中包括多个呈阵列排布的刻蚀段612，即所述第二光栅层611中的光栅为二维光栅，所述第二光栅层611是由呈阵列排列的所述刻蚀段612组成。
具体的，为了保证所述ISORS光子芯片1的性能，所述第二光栅层611和刻蚀段612的光场分布均匀，且从所述刻蚀段612出射的出射光的远场光斑的空间发散相对较普通光栅的远场光斑的空间发散小。
具体的，所述第二光栅层611中的刻蚀段612沿平行于所述透明衬底11的上表面的呈阵列排布。
具体的，所述第二光栅层611中所有所述刻蚀段612的尺寸不完全相同。本实施例中，所述第二光栅层611采用二维亚波长非均匀光栅设计，即所述刻蚀段612光栅面积不完全相同，以便于使所述第二光栅层611出射的光达到应用拉曼测试的要求。
具体的，所述第五透明包层614的材质包括氧化硅或者其他适合的材料。本实施例中，采用氧化硅作为所述第五透明包层614。
具体的，在保证所述出射光栅6的性能情况下，所述第五透明包层614的厚度及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述第二楔形波导621的材质包括氧化硅或者其他适合的材质。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1性能的情况下，所述第二楔形波导621的尺寸及厚度可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述入射波导622的波导类型包括单模光波导或者其他适合的波导。本实施例中，采用单模光波导作为所述入射波导622。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1性能的情况下，所述入射波导622的尺寸、厚度及材质可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。本实施例中，采用氮化硅单模光波导作为所述入射波导622。
具体的，在保证所述ISORS光子芯片1的性能的情况下，所述出射光栅6排布形成的所述预设图案的形状包括圆形、椭圆形、三边形、四边形或者其他适合的形状。本实施例中，所述出射光栅6合围形成一个环形，即所述预设图案的形状为圆形。
具体的，在所述耦入光栅2中，通过所述第一光栅层211与所述对比光栅层212的结合，利用所述对比光栅层212作为反射镜，提升了所述耦入光栅部21的方向性，继而提升了所述耦入光栅2的耦合系数，提高了所述耦入光栅2的耦合效率。
具体的，在所述出射光栅6中，通过对所述出射光栅部61中的所述第二光栅层611的设计，采用二维光栅作为所述第二光栅层611，并对所述第二光栅层611中的每个所述刻蚀段612的排列方式进行调控，即调控所述刻蚀段612在水平及竖直维度上的周期及占空比，并保证所述刻蚀段612在竖直方向上的长度呈线性递增关系，以减少所述刻蚀段612前端部分出射的能量，使得各个所述刻蚀段612之间的出射能量的方差最小，实现所述出射光栅6出射的光场的均匀分布。
具体的，在所述出射光栅6中，由于所述刻蚀段612在远场下光斑的空间发散度与所述刻蚀段612的发光面积成反比，基于所需要的所述ISORS光子芯片1发光面积及工作距离，对所述第二光栅层611中的各个所述刻蚀段612的面积进行调整，以减小所述出射光栅6在远场下的光斑的空间发散度，使所述出射光栅6出射的光更加的聚集，便于拉曼信号的激发，同时由于所述出射光栅6的远场光斑的发散度的减小，可以使所述ISORS光子芯片1的工作距离增大，达到毫米量级以上。
具体的，分别通过一次刻蚀工艺形成所述第一光栅层211及所述第二光栅层611，保证了制作光栅的工艺一致性。
具体的，由于所述出射光栅6中所述第二光栅层611的结构的设置，无需圆弧型光栅来形成圆形光场，可以减少所述ISORS光子芯片1中所述出射光栅6的数量，且通过所述第二光栅层611中各个所述刻蚀段612的周期、占空比及面积的调整，使所述出射光栅6出射的光场分布更加均匀，提升了芯片制作工艺的容忍度，降低制作所述ISORS光子芯片1的工艺难度。
具体的，由于所述ISORS光子芯片1的工作距离达到毫米量级以上，使所述ISORS光子芯片1可以应用于无创非侵入的生物组织组分检测中。
本实施例的ISORS光子芯片1通过对所述ISORS光子芯片1中的所述耦入光栅2及所述出射光栅6的结构进行改进，利用所述第一光栅层211及所述对比光栅层212的结合，且所述第一光栅层211是采用全刻蚀波导工艺制作，降低了制作所述耦入光栅2的工艺难度，提升了所述耦入光栅2的耦合系数，提高光栅的耦合效率；通过对所述出射光栅部61中的所述第二光栅层611的设计，采用二维光栅作为所述第二光栅层611，并对所述第二光栅层611中的每个所述刻蚀段612的排列方式进行调控，即调控所述刻蚀段612在水平及竖直维度上的周期及占空比，并保证所述刻蚀段612在竖直方向上的长度呈线性递增关系，以减少所述刻蚀段612前端部分出射的能量，使得各个所述刻蚀段612之间的出射能量的方差最小，实现所述出射光栅61出射的光场的均匀分布，且由于光栅出射光斑在远场下的空间发散度与光栅的发光面积成反比，基于所述ISORS光子芯片1所需要的发光面积，调控所述刻蚀段612的面积，以减小所述第二光栅层611出射的光斑在远场下的空间发散度，继而可以调控所述ISORS光子芯片1的工作距离，且所述ISORS光子芯片1的工作距离可以调控到毫米量级以上，使所述ISORS光子芯片可以应用于生物组织组分的检测。此外，通过所述耦入光栅2及所述出射光栅6的结构的改进，提升了激光的耦合效率的同时，降低了制作所述ISORS光子芯片1的工艺难度。
实施例二
本实施例提供一种无创组分检测系统，如图6及图7所示，为所述无创组分检测系统的激光器7与ISORS光子芯片1部分的示意图及所述无创组分检测系统的检测生物组织组分过程的示意图，包括ISORS光子芯片1、光纤8、激光器7件及信号收集系统9，其中，所述ISORS光子芯片1是采用实施例一中所述的ISORS光子芯片1，所述光纤8包括第一端及第二端，所述第二端与所述ISORS光子芯片1中的所述耦入光栅部21连接；所述激光器7的出光口与所述第一端连接，所述信号收集系统9位于所述ISORS光子芯片的正下方，以收集待测生物组织91表层散射出的光信号，所述信号收集系统9与所述透明衬底11间隔预设距离。
具体的，所述激光器7用于提供可见光波段的光信号，在保证从所述ISORS光子芯片1出射的光信号处于可见光波段且对所述待测生物组织91无损伤的情况下，所述激光器7的类型、功率及发射出的激光的波长可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，在保证所述光纤8的光损耗对所述待测生物组织91的组分检测无影响的情况下，所述光纤8的长度、类型、材质及尺寸可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。
具体的，所述待测生物组织91包括血液、体液、人体组织、骨骼或者其他适合的生物组织。本实施例中，通过所述无创组分检测系统检测人体血液的组分，基于检测的组分结果得出人体的血糖、血脂、癌症标记物等血液成分相关的指标，以判断人体的健康状况。
具体的，由于在所述无创组分检测系统中采用实施例一中所述的ISORS光子芯片1，从所述第二光栅层611发射出的光斑的远场发散度小，继而可以使所述ISORS光子芯片1的工作距离得到提升，便于应用到生物组织组分的检测。
具体的，所述无创组分检测系统中还设有保护所述ISORS光子芯片1的保护结构，以保证所述ISORS光子芯片1的安全，同时避免外界环境对所述ISORS光子芯片1的工作过程的影响。
具体的，所述信号收集系统9包括信号收集模块及信号处理模块，所述信号收集模块用于收集从所述待测生物组织91表层反馈的光信号(拉曼信号)，所述信号处理系统用于处理所述待测生物组织91表层散射的拉曼信号，并将得到的拉曼光谱进行分析，以便于得到所述待测生物组织91的组分信息。
具体的，所述耦入光栅2将所述激光器7发出的激光耦入到所述单模波导3中，激光经过所述单模波导3的传播进入所述多模干涉分光器4，经过所述多模干涉分光器4的分光，激光被分成多束并进入所述出射光栅6，经过所述出射光栅6反射到所述待测生物组织91上，由于所述出射光栅6的呈预设图案排布，使从所述出射光栅6出射的激光在所述待测生物组织91表面形成一个激发光场，拉曼信号通过所述激发光信号区的中间区域的预设区域后，穿过所述透明衬底11并被位于所述激发光信号区下方的所述信号收集模块收集。本实施例中，由于多个所述出射光栅6合围成环形，且通过所述ISORS光子芯片1的工作距离的设置，使从所述ISORS光子芯片1出射的激光在所述待测生物组织91表面产生一个直径约200μm～1000μm的环形激发光场，随后拉曼信号在所述激发光信号区的中间大约50μm～500μm直径的区域处穿过所述透明衬底11，并被所述透明衬底11下方的信号收集系统9收集。
具体的，由于空间偏移量和光子在生物组织中的贯穿深度有关，通过改变环形激发光的直径大小，即改变所述级联结构5的最后一级所述多模干涉分光器4的输出端的长度同时相应的改变所述出射光栅6的面积，便可收集到所述待测生物组织的不同深度处的拉曼散射光谱，进而对所述待测生物组织91的组分进行分析。
具体的，将实施例一中所述的ISORS光子芯片1与所述激光器7及所述信号收集系统9的结合，实现了所述待测生物组织91的组分的无创检测。
具体的，通过采用实施例一中所述的ISORS光子芯片1，便于所述信号收集系统9收集拉曼信号，且该系统的操作方便。
本实施例的无创组分检测系统通过采用实施例一中所述的ISORS光子芯片1作为测量芯片，并与发射出可见光的所述激光器7及所述信号收集系统9结合，实现了采用反向空间偏移拉曼光谱对所述待测生物组织91的无创组分检测，同时操作便捷。
综上所述，本发明的ISORS光子芯片及无创组分检测系统通过耦入光栅及出射光栅的结构的改进，在耦入光栅中通过第一光栅层及对比光栅层的结合，使光栅的耦合效率得到提升；利用二维非均匀光栅作为出射光栅中的第二光栅层，调控第二光栅层中各刻蚀段在水平和竖直维度上的周期和占空比，以减少刻蚀段前端部分出射的能量，使得第二光栅层中各刻蚀段之间出射能量的方差最小，继而使从第二光栅层出射的光场分布均匀；由于光栅出射光斑在远场下的空间发散度与光栅的发光面积成反比，基于ISORS光子芯片所需要的发光面积，调控第二光栅层中各个刻蚀段的面积，以减小第二光栅层出射的光斑在远场下的空间发散度，继而可以增大ISORS光子芯片的工作距离，且ISORS光子芯片的工作距离可以达到毫米量级以上；该ISORS光子芯片通过与出射可见光的激光器及信号收集系统的结合，实现了对待测生物组织的无创组分检测。此外，通过耦入光栅及出射光栅的结构的改进，降低了芯片制作的工艺难度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种ISORS光子芯片，其特征在于，包括：
透明衬底；
耦入光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述耦入光栅包括依次相连的耦入光栅部及第一波导部；
单模波导，位于所述透明衬底的上表面，所述单模波导的输入端与所述第一波导部的输出端连接；
多个多模干涉分光器，位于所述透明衬底的上表面，所述多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个所述多模干涉分光器构成至少两级的级联结构，位于所述级联结构的第一级的所述多模干涉分光器的输入端与所述单模波导的输出端连接，所述级联结构中所述多模干涉分光器的输入端与上一级所述多模干涉分光器的输出端连接；
多个出射光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述出射光栅分别与所述级联结构中最后一级的所述多模干涉分光器的输出端连接，且所述出射光栅呈预设图案排布以在所述透明衬底上围成激发光信号区。
2.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述耦入光栅部包括第一光栅层及位于所述第一光栅层下方的对比光栅层。
3.根据权利要求2所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述第一光栅层的材质包括氮化硅。
4.根据权利要求2所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述对比光栅层的材质包括非晶硅。
5.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述对比光栅层的反射系数不低于99％。
6.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述第一波导部包括依次连接的第一楔形波导及出射波导，所述第一楔形波导与所述出射波导连接处的宽度小于所述第一楔形波导远离所述出射波导一端的宽度。
7.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述出射光栅包括依次相连的出射光栅部及第二波导部，所述第二波导部包括依次相连的第二楔形波导及出射波导，所述第二楔形波导远离所述出射波导的一端与所述出射光栅部连接。
8.根据权利要求7所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述出射光栅部包括位于所述透明衬底上的第四透明包层、位于所述第四透明包层上的第二光栅层及覆盖所述第二光栅层显露表面的第五透明包层。
9.根据权利要求8所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述第二光栅层中包括多个呈阵列排布的刻蚀段。
10.一种无创组分检测系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～9中任意一项所述的ISORS光子芯片；
光纤，包括第一端及第二端，所述第二端与所述ISORS光子芯片中的所述耦入光栅部连接；
激光器，出光口与所述第一端连接；
信号收集系统，位于所述ISORS光子芯片的正下方，以收集待测生物组织表层散射出的光信号，所述信号收集系统与所述透明衬底间隔预设距离。
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