GR1009480B - Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο - Google Patents
Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο Download PDFInfo
- Publication number
- GR1009480B GR1009480B GR20170100088A GR20170100088A GR1009480B GR 1009480 B GR1009480 B GR 1009480B GR 20170100088 A GR20170100088 A GR 20170100088A GR 20170100088 A GR20170100088 A GR 20170100088A GR 1009480 B GR1009480 B GR 1009480B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- optical
- sensor
- waveguide
- plasmonic
- photonic
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 37
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 106
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims abstract description 13
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 40
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 25
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 9
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 27
- 230000008859 change Effects 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 2
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000026935 allergic disease Diseases 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000003124 biologic agent Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229920005560 fluorosilicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 230000009610 hypersensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000002715 modification method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/02—Devices for withdrawing samples
- G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
- G01N1/2202—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling
- G01N1/2205—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling with filters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
- G01N2021/458—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods using interferential sensor, e.g. sensor fibre, possibly on optical waveguide
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7779—Measurement method of reaction-produced change in sensor interferometric
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7793—Sensor comprising plural indicators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Η εφεύρεση αφορά μια διάταξη αποτελούμενη από έναν πρώτο συμβολομετρικό αισθητήρα Mach-Zehnder (ΜΖΜ) με μεγάλο FSR, που ενσωματώνεται ένας πλασμονικός κυματοδηγός (107), λεπτής μεμβράνης ή υβριδικός κυματοδηγός σχισμής, ως στοιχείο μετατροπέα επίπεδα ενσωματωμένο στους φωτονικούς κυματοδηγούς Si3N4, και από έναν δεύτερο οπτικό συμβολομετρικό αισθητήρα Mach-Zehnder (ΜΖΙ2). Για την βέλτιστη πόλωση των εν λόγω αισθητήρων (ΜΖI1, ΜΖΙ2) αυτοί περιλαμβάνουν θερμο-οπτικούς θερμαντήρες (104, 106), ως μεταβλητό οπτικό εξασθενητή.
Description
Μέθοδος κατασκευής ολοκληρωμένου πλασμο-φωτονικού βιοαισθητήρα και συσκευή για το σκοπό αυτό
Πεδίο εφεύρεσης
Η παρούσα εφεύρεση αφορά μια μέθοδο μαζικής και χαμηλού κόστους παραγωγής επίπεδων ολοκληρωμένων φωτονικών βιοαισθητήρων και πιο συγκεκριμένα τη μονολιθική συνολοκλήρωση φωτονικών CMOS και πλασμονικών μερών σε συμβολόμετρα ΜΖΙ με βέλτιστη πόλωση, ως μέσο αύξησης της ευαισθησίας του αισθητήρα σε επίπεδα που δεν είχαν επιτευχθεί μέχρι σήμερα και με χαμηλό κόστος κατασκευής.
Προγενέστερη τεχνική
Έχουν προταθεί διάφορες λύσεις για την επίλυση των τεχνικών προβλημάτων της υπερευαισθησίας της βιοανίχνευσης. Ωστόσο, η ευρεία εμπορική τους εκμετάλλευση παρακωλύεται από τις περίπλοκες και δαπανηρές μεθόδους κατασκευής που απαιτούνται, το μεγάλο εμβαδόν των συστημάτων ή από τη μέτρια ευαισθησία τους. Όλα αυτά είναι τα χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτει μια ανιχνευτική διάταξη πριν διατεθεί στην αγορά.
Η ευαισθησία της διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων (SPR) στη μεταβολή του δείκτη διάθλασης λόγω του ισχυρού οπτικού πεδίου σε μεταλλική επιφάνεια οδήγησε στην κατασκευή συστημάτων ανίχνευσης SPR με σκοπό την ανίχνευση βιολογικών παραγόντων, όπως αυτοί αναφέρονται από τους iRI Homola, Sinclair S. Yeea, Günter Gauglitzb στο άρθρο τους με τίτλο «Surface plasmon resonance sensors: review», Sensors and Actuators B: Chemical Volume 54, Issues 1-2, 25 Ιανουάριος 1999, σελίδες 3-15. Αυτά χρησιμοποιούν συνήθως ένα οπτικό πρίσμα για τη ζεύξη του φωτός σε έναν ρυθμό επιφανειακών πλασμονίων σε μια επίπεδη μεμβράνη από χρυσό. Ωστόσο, το μεγάλο μέγεθος αυτών των συστημάτων αποτελεί σημαντικό εμπόδιο και δεν επιτρέπει τη μικρογράφηση και την ενσωμάτωσή τους σε επίπεδα μονολιθικά τσιπ με χαμηλό κόστος κατασκευής ούτε τη χρήση τους σε παρακλίνιους διαγνωστικούς ελέγχους ή σε άλλες φορητές εφαρμογές.
Αξιοποιώντας τις τελευταίες εξελίξεις στη νανοτεχνολογία, ενσωματώθηκαν ως βιοαισθητήρες πλασμονικές διατάξεις κυματοδηγού που φέρουν επιφανειακά πλασμονικά πολαριτόνια διάδοσης, αλλά με χαμηλή ανιχνευτική απόδοση σε ό,τι αφορά την ευαισθησία. Γ ια τη βελτίωση της απόδοσης των πλασμονικών αισθητήρων, ενσωματώθηκαν πλασμονικά μήκη κύματος σε συμβολόμετρα Mach-Zehnder και σε άλλες συμβολομετρικές διαμορφώσεις έτσι ώστε να αξιοποιηθεί η εξάρτηση της φάσης του οπτικού πεδίου στον πλασμονικό κυματοδηγό στις μεταβολές του δείκτη διάθλασης του ελεγχόμενου αναλύτη. Στην εργασία που δημοσιεύθηκε στο Optics Express της OSA, Vol. 23, Issue 20, pp. 25688-25699 (2015), doi.org/10.1364/OE. 23.025688 [Wosinski] παρουσιάζεται ένα συμβολόμετρο Mach-Zehnder με κυματοδηγό σχισμής με βάση το χρυσό ενσωματωμένο σε πυρίτιο. Ωστόσο, η απουσία στοιχείων βέλτιστης πόλωσης για τη βελτιστοποίηση της ανισορροπίας διαφορικού μήκους και ισχύος μεταξύ του άνω και του κάτω κλάδου σε συνδυασμό με το μικρό FSR του ΜΖΙ οδήγησε σε οπτική ευαισθησία της τάξεως των 1061/nm/RIU.
Το έγγραφο ευρεσιτεχνίας US2005/0018949 Α1 περιγράφει έναν αισθητήρα ΜΖΙ που χρησιμοποιεί μόνο πλασμονικές, αλλά εφαρμοσμένες σε μικρομετρική κλίμακα διαστάσεις (2-20 μm), και όχι πέραν αυτού του εύρους, επιτρέποντας έτσι ενσωμάτωση μόνο μικρομετρικής κλίμακας. Επιπλέον, η αποδοτικότητα της σύζευξης μεταξύ πλασμονικού και φωτονικού κυματοδηγού δεν αναφέρεται στο εν λόγω κείμενο και αναμένεται να είναι μικρή, δημιουργώντας πολύ μεγάλες απώλειες στον κλάδο του ΜΖΙ, όπου ενσωματώνεται ο πλασμονικός κυματοδηγός. Το παραπάνω, παράλληλα με την απουσία πολωτικών μερών στον κάτω κλάδο του ΜΖΙ, που δεν αναφέρεται στο εν λόγω κείμενο, αναμένεται ότι οδηγεί σε χαμηλή ανάλυση κατά τη μέτρηση ανίχνευσης, μειώνοντας κατά συνέπεια την ευαισθησία του αισθητήρα και το όριο ανίχνευσης.
Η ευρεσιτεχνία ΕΡ 2 214 049 Β1 χρησιμοποιεί ένα ειδικά σχεδιασμένο φωτονικό ΜΖΙ που βασίζεται στο φθίνον πεδίο, αλλά απαιτεί πολύ μακριούς βραχίονες αλληλεπίδρασης στον κλάδο ανίχνευσης του ΜΖΙ. Αυτό, σε συνδυασμό με τη χρήση υλικών που είναι ασύμβατα με συμπληρωματικούς ημιαγωγούς μεταλλικού οξειδίου (CMOS), όπως τα πολυμερή, παρακωλύουν την περαιτέρω μικρογράφηση της συγκεκριμένης συσκευής σε μικροκλίμακα ή σε νανοκλίμακα και τη μαζική παραγωγή της σε εγκαταστάσεις CMOS. Όπως και οι προαναφερθείσες συσκευές, αυτός ο αισθητήρας δεν χρησιμοποιεί τα εξισορροπητικά μέρη που απαιτούνται για την πλήρη εξισορρόπηση του αισθητήρα ΜΖΙ, ενώ προκειμένου να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις ευαισθησίας, χρειάζεται μια μεγάλη διαμόρφωση αισθητήρα που περιορίζει τη μαζική κατασκευή και κατά συνέπεια τη μείωση του κόστους της κατασκευής του τσιπ ανίχνευσης.
Ένα νέου τύπου συμβολόμετρο, το οποίο ονομάζεται διτροπικό (BiModal) συμβολόμετρο, (όπως αυτό αναφέρεται στη δημοσίευση από τους Yongkang Gao, Qiaoqiang Gan, Zheming Xin, Xuanhong Cheng, Filbert J Bartoli, με τίτλο «Plasmonic Mach-Zehnder Interferometer for Ultrasesnitive on-chip Biosesning», ACS Nano 2011 Dec 18;5(12):9836-44. Epub 2011 Nov 18; και αντίστοιχα. Kirill E. Zinoviev; Ana Belén Gonzalez-Guerrero; Carlos Dominguez; Laura M. Lechuga, στη δημοσίευση με τίτλο «Integrated Bimodal Waveguide Interferometric Biosensor for Label-Free Analysis», Journal of Lightwave Technology Year: 2011 , Volume: 29, Issue: 13, Pages: 1926 - 1930, DOI: 10.1109/JLT. 2011.2150734), έχει ερευνηθεί με τη χρήση τόσο φωτονικών όσο και πλασμονικών δομών με στόχο τη βελτιωμένη θερμική σταθερότητα ή/και απόκλιση από τους ιδανικού λόγους διαχωρισμού 50:50. Παρά το ότι προσφέρουν συμπαγείς λύσεις, η απαίτηση για διτροπική λειτουργία δεν επιτρέπει την επέκταση της περιοχής ανίχνευσης και την ακριβή εξισορρόπηση των κλάδων του ΜΖΙ για βελτιστοποιημένη ανάλυση.
Σκοπός της εφεύρεσης
Σκοπός της παρούσας εφεύρεσης είναι η ταυτόχρονη αντιμετώπιση των διαφόρων θεμάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω προτείνοντας μια εξαιρετικά ευαίσθητη διάταξη βιοαισθητήρα με κρίσιμες διαστάσεις μικρότερες των 800 nm, η οποία μπορεί να ενσωματωθεί σε διαμορφώσεις μικρομετρικής κλίμακας βασισμένες σε τσιπ χρησιμοποιώντας απλέςκατασκευαστικές μεθόδους χαμηλού κόστους.
Οι τεχνολογίες ανίχνευσης, οι οποίες θα μπορούν να ανιχνεύουν με ακρίβεια έως και σε μοριακό επίπεδο τις στοχευόμενες ουσίες σε πραγματικό χρόνο, θα διευκολύνουν την έγκαιρη διάγνωση και πρόληψη ασθενειών, τις εφαρμογές παρακλίνιων εργαστηριακών ελέγχων καθώς και την ακριβή περιβαλλοντική παρακολούθηση. Η πλασμονική είναι μια τεχνολογία με τεράστιες προοπτικές όταν εφαρμόζεται στην ανίχνευση, χάρη στην ιδιότητά της να περιορίζει το φως σε διαστάσεις νανομετρικής κλίμακας, προσφέροντας έτσι εξαιρετική ευαισθησία έναντι της σχέσης αλληλεπίδρασης μήκους. Η άνευ προηγουμένου ευαισθησία ανά μονάδα μήκους της πλασμονικής, από κοινού με την ιδιότητά της να συνυπάρχει αρμονικά με τη φωτονική χαμηλών απωλειών, με την ηλεκτρονική -σε νανομετρική κλίμακα και σε μορφή μετάλλου- καθώς και με τους βιοχημικούς (βιοσυμβατούς) μηχανισμούς θα δημιουργήσει νέες δυνατότητες για τα συστήματα βιοαισθητήρα όσον αφορά την απόδοση, την πολυλειτουργικότητα, καθώς και τη μείωση των διαστάσεών τους.
Παράλληλα, με τον επιλεκτικό συνδυασμό των πλασμονικών κυματοδηγών με τη φωτονική βασισμένη σε Si3N4μπορούν να αξιοποιηθούν οι διαδικασίες κατασκευής νωτιαίου άκρου με CMOS των εργοστασίων κατασκευής ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών συστημάτων, έτσι ώστε να μειωθεί το κόστος των ολοκληρωμένων φωτονικών αισθητήρων και να επιτραπεί η μαζική παραγωγή τους. Παρόλο που η προστιθέμενη αξία της πλασμονικής έχει πρακτικά αποδειχθεί, δεν έχει πραγματοποιηθεί ακόμη κάποια οργανωμένη προσπάθεια μετατροπής των ολοκληρωμένων πλασμονικών αισθητήρων από μια υψηλά απωλεστική και απομονωμένη τεχνολογία σε μια πρακτική διάταξη υψηλής αξίας συμβατή με CMOS. Συνοπτικά, αναμένεται ότι μια αρμονική και ισορροπημένη μίξη της πλασμονικής που είναι συμβατή με CMOS με την φωτονική στα ολοκληρωμένα επίπεδα τσιπ θα μετατρέψει τους πλασμο-φωτονικούς αισθητήρες από μια ακριβή και περίπλοκη τεχνολογία σε μια πραγματική τεχνολογική επανάσταση στους αισθητήρες με βάση τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα, προσφέροντας έτσι άνευ προηγουμένου επιδόσεις και λειτουργικότητα μεγάλης κλίμακας που καλύπτουν το φάσμα διάφορων βιομηχανικών αναγκών.
Η παρούσα εφεύρεση έχει στόχο να αντιμετωπίσει την ανάγκη μιας ενσωματωμένης, δηλαδή συμπαγούς συσκευής ανίχνευσης (τσιπ) με άνευ προηγουμένου οπτική ευαισθησία, συγκεκριμένα έως και 150.000 nm/RIU, με τη χρήση πλασμονικών κυματοδηγών σε βέλτιστα ισορροπημένα συμβολόμετρα ΜΖ με μεγάλο μήκος κύματος FSR, η οποία μπορεί να κατασκευαστεί με χαμηλό κόστος και σε μαζική παραγωγή χρησιμοποιώντας τις εγκαταστάσεις CMOS, συγκεκριμένα για την μονολιθική ενσωμάτωση η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για τα ενσωματωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Υπό αυτό το πρίσμα, προτείνονται σύμφωνα με την εφεύρεση έναςσχεδιασμός αισθητήρα, μιά μέθοδος κατασκευής συστατικού υλικού καθώς και ανίχνευσης
Επιπρόσθετα, η παρούσα εφεύρεση προτείνει έναν οπτικό συμβολομετρικό βιοαισθητήρα Mach-Zehnder ΜΖΙ ο οποίος χρησιμοποιεί φωτονικούς Si3N4και πλασμονικούς κυματοδηγούς νανομετρικής κλίμακας, επίπεδα ενσωματωμένους σε ένα CMOS τσιπ. Η εφεύρεση στοχεύει στην ανίχνευση χημικών ή/και βιολογικών ποσοτήτων αξιοποιώντας την ευρέως γνωστή μεταβολή του δείκτη διάθλασης, η οποία συμβαίνει στο τμήμα του πλασμονικού κυματοδηγού του συμβολόμετρου όταν ο αναλύτης ή το αέριο τοποθετείται πάνω σε αυτό. Ένα επιπλέον, δεύτερο συμβολόμετρο ΜΖΙ χρησιμοποιείται από κοινού με τους οπτικούς ολισθητές φάσης καθώς οι μεταβλητοί οπτικοί εξασθενητές (VOA) και οι μεμονωμένοι ολισθητές φάσης συμπεριλαμβάνονται σε έναν κλάδο, ενώ ο χαμηλότερος κλάδος του συμβολόμετρου για τη βέλτιστη ισορροπία του αισθητήρα και για την επίτευξη μέτρησης του αισθητήρα πολύ χαμηλότερης από εκείνη που είναι δυνατή με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας. Ο σχεδιασμός του αισθητήρα συνδυάζεται με υλικά χαμηλού κόστους και διαδικασίες κατασκευής που καθιστούν δυνατή τη μαζική παραγωγή.
Με άλλα λόγια, η εφεύρεση θέτει επί τάπητος μια χαμηλού κόστους μέθοδο μαζικής παραγωγής τσιπ βιοαισθητήρα υψηλής ευαισθησίας, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση χημικών, βιοχημικών ή άλλων βιολογικών ποσοτήτων που βρίσκονται σε υγρά ή αέρια.
Περίληψη της εφεύρεσης
Σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση προτείνεται μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή βιοαισθητήρα με τη βοήθεια φωτονικών και πλασμονικών κυματοδηγών διατεταγμένων σε ειδικά σχεδιασμένη διαμόρφωση ΜΖΙ, η οποία μπορεί να κατασκευαστεί με χαμηλό κόστος σε μονάδες μαζικής παραγωγής.
Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση μια συσκευή η οποία αποτελείται από φωτονικά και νέα πλασμονικά μέρη με κρίσιμες διαστάσεις μικρότερες των 800 nm για ενσωμάτωση νανομετρικής κλίμακας.
Μια ακόμη πτυχή της εφεύρεσης είναι η ικανότητά της να παρέχει οπτική ευαισθησία, όπως μεταβολή της οπτικής διέγερσης έναντι της μεταβολής της μονάδας του δείκτη διάθλασης επάνω από τον πλασμονικό κυματοδηγό, πάνω από τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες, αξιοποιώντας την ισχυρή αλληλεπίδραση φωτός-ύλης του κυματοδηγού SPP σε μεγάλες διαμορφώσεις ελεύθερου φασματικού εύρους (FSR) και σε συμβολομετρικές διαμορφώσεις ΜΖ με βέλτιστη πόλωση. Η συνολική διαμόρφωση και η μέθοδος βέλτιστης πόλωσης προτείνονται σύμφωνα με την εφεύρεση.
Μια πρόσθετη πτυχή της παρούσας εφεύρεσης είναι η μέθοδος για τη μονολιθική ενσωμάτωση κυματοδηγών SPP νανομετρικής κλίμακας (λεπτή μεμβράνη ή φωτονική υποδοχή), φωτονικών κυματοδηγών νιτριδίου του πυριτίου και θερμο-οπτικών ολισθητών φάσης (μεταλλικοί θερμαντήρες) σε μια συμβολομετρική διαμόρφωση ΜΖ ώστε να επιτευχθεί υψηλή ευαισθησία καταγραφής και ταυτοχρόνως χαμηλού κόστους κατασκευή.
Ακόμη μια πτυχή της εφεύρεσης αυτής είναι η μονολιθική ενσωμάτωση κυματοδηγών SPP νανομετρικής κλίμακας (λετπή μεμβράνη ή υβριδικός φωτονικός κυματοδηγός σχισμής), φωτονικών κυματοδηγών νιτριδίου του πυριτίου νανομετρικής κλίμακας και θερμο-οπτικών ολισθητών φάσης (μεταλλικοί θερμαντήρες) σε συμπαγείς διαμορφώσεις ΜΖΙ με τη χρήση υλικών ττου είναι συμβατά με CMOS (οξείδια, μέταλλα, διηλεκτρικά) και μεθόδων που καθιστούν δυνατή τη μαζική παραγωγή τσιπ αισθητήρα με χαμηλό κόστος.
Η παρούσα εφεύρεση επίσης αφορά μια διάταξη, στην οποία μια ακόμη πτυχή της εφεύρεσης είναι ο σχεδιασμός του φωτονικού και πλασμονικού κυματοδηγού, ιδιαιτέρως για την περίπτωση στην οποία χρησιμοποιείται υβριδικός κυματοδηγός σχισμής SPP, ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη απόθεση των επαφών κυματοδηγών πλασμονικής υποδοχής και των μεταλλικών επαφών των θερμο-οπτικών ολισθητών φάσης σε μία και μοναδική διαδικασία επικάλυψης και απομάκρυνσης με το ίδιο μέταλλο με αποτέλεσμα τη μείωση του συνολικού κόστους κατασκευής.
Μια επιπλέον πτυχή της παρούσας εφεύρεσης είναι η παροχή μιας εξαιρετικά ευαίσθητης διάταξης με συστοιχία αισθητήρων με τη βοήθεια της τεχνολογίας πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος (WDM) και φωτονικούς και πλασμονικούς κυματοδηγούς διατεταγμένους σε συστοιχίες ειδικά σχεδιασμένων διαμορφώσεων ΜΖΙ που μπορούν να κατασκευαστούν με χαμηλό κόστος σε μονάδες μαζικής παραγωγής. Η συστοιχία θα έχει την ικανότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης πολλαπλών φυσικών ποσοτήτων από τον αναλύτη ή αέριο με την ίδια ευαισθησία και το ίδιο κόστος κατασκευής με αυτό της κατασκευής μονών διατάξεων βιοαισθητήρα.
Τέλος συνοψίζοντας, χάρη στην εφεύρεση, παρέχεται μια διάταξη η οποία αποτελείται από φωτονικά και νέα πλασμονικά μέρη με κρίσιμες διαστάσεις μικρότερες των 800 nm για ενσωμάτωση νανομετρικής κλίμακας, σε αντίθεση με το προαναφερθέν έγγραφο US2005/001 8949 Α1 , στο οποίο επιτρεπόταν ενσωμάτωση μόνο μικρομετρικής κλίμακας. Επιπλέον, η αποδοτικότητα της σύζευξης μεταξύ πλασμονικού και φωτονικού κυματοδηγού δεν αναφέρεται στο εν λόγω ανωτέρω κείμενο και αναμένεται να είναι μικρή, δημιουργώντας πολύ μεγάλες απώλειες στον κλάδο του ΜΖΙ, όπου ενσωματώνεται ο πλασμονικός κυματοδηγός. Αυτό, παράλληλα με την απουσία πολωτικών μερών στον κατώτερο κλάδο του ΜΖΙ που, το οποίο επίσης δεν αναφέρεται στο ανωτέρω κείμενο, παρέχεται ωστόσο χάρη στην εφεύρεση. Αυτό αναμένεται να οδηγήσει σε χαμηλή ανάλυση κατά την ανιχνευτική μέτρηση και κατά συνέπεια να μειώσει την ευαισθησία του αισθητήρα και το όριο ανίχνευσης. Τα παραπάνω ζητήματα πρέπει να επιλυθούν με τη χρήση μονολιθικής ενσωμάτωσης και γεωμετρίας νανομετρικής κλίμακας ώστε να καταστεί δυνατή η κατασκευή μικρογραφημένων ανιχνευτικών τσιπ με χαμηλό κόστος. Τα εν λόγω ζητήματα επιλύονται χάρη τηςπαρούσας εφεύρεσης, προβλέποντας έναν αισθητήρα ΜΖΙ, ο οποίος αποτελείται από πλασμονικά ανιχνευτικά στοιχεία και πρόσθετα φωτονικά ΜΖΙ καθώς και ολισθητές φάσης με σκοπό την απόλυτη ισορροπία του FSR ΜΖΙ με υψηλό μήκος κύματος για εξαιρετικά ευαίσθητη ανίχνευση, χαμηλό κόστος κατασκευής και χρήση μονολιθικής ενσωμάτωσης.
Η χρήση ενός επιπλέον ένθετου ΜΖΙ και ολισθητών φάσης έχει σκοπό την επίτευξη απολύτως εξισορροπημένης συμβολής στην έξοδο πριν από την ανιχνευτική μέτρηση μεγιστοποιώντας τον λόγο αποσβέσεως και κατά συνέπεια το όριο ανίχνευσης. Σύμφωνα με έναν προτιμώμενο τρόπο πραγμάτωσης της εφεύρεσης, το παραπάνω συνδυάζεται με μεγάλη διαμόρφωση FSR ΜΖΙ, ως μέθοδο με την οποία επιτυγχάνεται μια εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία και ανιχνευτική απόδοση που ανταποκρίνεται στις τρέχουσες και μελλοντικές ανάγκες.
Επιπλέον, σύμφωνα με επιπλέον τρόπους πραγμάτωσης της εφεύρεσης, προβλέπονται συγκεκριμένα ειδικά μέρη που μειώνουν το συνολικό κόστος κατασκευής καθώς περιλαμβάνουν λιγότερα βήματα χάραξης και απομάκρυνσης, συμπεριλαμβανομένου του φωτονικού κυματοδηγού μονής χάραξης (λωρίδα) μαζί με πλασμονικούς κυματοδηγούς μοναδικής απομάκρυνσης. Επιπλέον, προβλέπεται μια μέθοδος σχεδιασμού του ολοκληρωμένου πλασμοφωτονικού αισθητήρα ΜΖΙ που μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία σε επίπεδα ανώτερα από αυτά των υφιστάμενων τεχνολογιών σε συνδυασμό με χαμηλό κόστος κατασκευής.
Εν συντομία, , χάρη στην εφεύρεση, προβλέπεται μια χαμηλού κόστους μέθοδος μαζικής παραγωγής ενός ολοκληρωμένου πλασμο-φωτονικού βιοαισθητήρα για εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία και μιάς διάταξης για το σκοπό αυτό.
Περαιτέρω ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της εφεύρεσης ορίζονται στις αντίστοιχες εξαρτημένες αξιώσεις που ακολουθούν.
Ορισμένοι υποδειγματικοί τρόποι πραγμάτωσης της παρούσας εφεύρεσης περιγράφονται περισσότερο με λεπτομέρεια σε συνδυασμό με τα συνοδευτικά σχέδια. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι διάφοροι τρόποι πραγμάτωσης αυτής της εφεύρεσης και τα χαρακτηριστικά αυτών μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους εντός του πεδίου εφαρμογής της παρούσας αίτησης.
Σύντομη περιγραφή των σχεδίων
Το σχήμα 1 αποτελεί ένα σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος του πλασμο-φωτονικού βιοαισθητήρα με βάση το ΜΖΙ.
Τα σχήματα 2, 3 και 4 απεικονίζουν μια προοπτική όψη, μια διατομή και μια πλευρική όψη αντίστοιχα του υβριδικού πλασμο-φωτονικού κυματοδηγού σχισμής (HPPSW) που χρησιμοποιείται για το πλασμονικό τμήμα του αισθητήρα και τους θερμο-οπτικούς ολισθητές φάσης (θερμαντήρες).
Τα σχήματα5 και 6 απεικονίζουν μια προοπτική όψη και μια πλευρική όψη αντίστοιχα της διεπαφής λεπτής μεμβράνης μεταξύ του φωτονικού και του πλασμονικού κυματοδηγού λεπτής μεμβράνης (TFPW) που χρησιμοποιούνται για το πλασμονικό τμήμα του αισθητήρα.
Το σχήμα 7 δείχνει μια φασματική μετατόπιση της κορυφής του συντονισμού του αισθητήρα ΜΖΙ που έχει σχεδιαστεί με FSR 1164 nm, ενώ στα σχήματα 8 και 9 απεικονίζεται ο πρώτος και ο τελευταίος παράγοντας της εξίσωσης 1 αντίστοιχα, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της οπτικής ευαισθησίας του βιοαισθητήρα.
Το σχήμα 10 αποτελεί το σχηματικό διάγραμμα της διαμόρφωσης πολυκαναλικού βιοαισθητήρα με τη χρήση πολυπλεγμένων αισθητήρων ΜΖΙ, οπτικών φίλτρων και WDM για τον παραλληλισμό πολλαπλών οπτικών σημάτων (μήκη κύματος). Κάθε οπτικό μήκος κύματος χρησιμοποιείται από ένανμόνο αισθητήρα ΜΖΙ.
Περιγραφή
Αρχικά, περιγράφεται περισσότερο με λεπτομέρεια μια ενσωμάτωση κυκλώματος. Η διάταξη της εφεύρεσης περιλαμβάνει έναν οπτικό συμβολομετρικό βιοαισθητήρα τύπου Mach-Zehnder ΜΖΙ, ο οποίος χρησιμοποιεί φωτονικούς S13N4 και πλασμονικούς κυματοδηγούς νανομετρικής κλίμακας, που είναι επίπεδα ενσωματωμένοι σε ένα τσιπ CMOS. Η μέθοδος της εφεύρεσης περιλαμβάνει την ανίχνευση χημικών ή/και βιολογικών ποσοτήτων με χρήση μιας γνωστής μεταβολής του δείκτη διάθλασης που συντελείται στο τμήμα του πλασμονικού κυματοδηγού του συμβολόμετρου όταν ο αναλύτης ή το αέριο συνδέεται σε αυτό, ένα πρόσθετο ΜΖΙ χρησιμοποιείται, π.χ. ένας δεύτερος οπτικός συμβολομετρικός βιοαισθητήρας Mach-Zehnder, ΜΖΙ2, μαζί με οπτικούς ολισθητές φάσης, καθώς στον έναν κλάδο, και ιδιαιτέρως στον κατώτερο κλάδο του συμβολόμετρου προβλέπεται ένας μεταβλητός οπτικός εξασθενητής (VOA) και αυτόνομοι ολισθητές φάσης ώστε να εξισορροπούν όσο το δυνατόν καλύτερα τον αισθητήρα και να εξασφαλίζουν ευαισθησία κατά τη μέτρηση. Ο σχεδιασμός του αισθητήρα συνδυάζεται με υλικά χαμηλού κόστους και διαδικασίες κατασκευής που καθιστούν δυνατή τη μαζική παραγωγή.
Το σχήμα 1 δείχνει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα αισθητήρα το οποίο αποτελείται από φωτονικούς κυματοδηγούς με τη χρήση μιας λωρίδας από νιτρίδιο του πυριτίου με υψηλό δείκτη τοποθετημένη ανάμεσα σε ένα υπόστρωμα SiO2οξειδίου χαμηλού δείκτη και σε ένα επίστρωμα οξειδίου LTO με χαμηλό δείκτη, όπως φαίνεται εν μέρει στο σχήμα 3 στα 301 , 302, 303, 304 και στο σχήμα 6 στα 601, 602, 603, 606. Το εν λόγω κύκλωμα περιλαμβάνει επίσης δομές οπτικής σύζευξης και στα δύο άκρα 101 , 110, του αισθητήρα λειτουργώντας ως ολοκληρωμένες οπτικές είσοδοι/έξοδοι. Αυτό περιλαμβάνει επίσης έναν οπτικό διαχωριστή και συνδυαστή για οπτικό διαχωρισμό στον πρώτο κόμβο 102 του ανωτέρω αισθητήρα ΜΖΙ1 και οπτικό συνδυασμό (109) στο δεύτερο κόμβο ανωτέρω αισθητήρα ΜΖΙ (112). Μπορεί να πρόκειται για κόμβο μορφής «Υ» ή για πολυρυθμικό συζεύκτη συμβολής (ΜΜΙ).
Το προαναφερθέν κύκλωμα περιλαμβάνει ακόμα έναν μεταβλητό οπτικό εξασθενητή VOA 111, με τη χρήση ενός πρόσθετου, στην ουσία δεύτερου, ΜΖΙ, ο οποίος είναι ένθετος εντός του πρώτου ΜΖΙ και χρησιμοποιεί έναν οπτικό διαχωριστή (105) και ένα οπτικό συνδυαστή (108) για οπτικό διαχωρισμό στον πρώτο κόμβο του δεύτερου ΜΖΙ και οπτικό συνδυασμό στον δεύτερο κόμβο αυτού.
Ακόμη αυτό περιλαμβάνει θερμο-οπτικούς ολισθητές φάσης 104, 106 που συντονίζουν τη φάση του οπτικού σήματος στον κλάδο αναφοράς του κάθε ΜΖΙ, δηλ. στον πρώτο αισθητήρα 112 και στον δεύτερο VOA 111. Οι θερμο-οπτικοί ολισθητές φάσης δημιουργούνται με την τοποθέτηση δύο παράλληλων μεταξύ τους μεταλλικών λωρίδων στο επάνω μέρος ενός τμήματος του φωτονικού κυματοδηγού και κατά μήκος της διεύθυνσης της διάδοσης του φωτός.
Επιπλέον προβλέπεται ένας πλασμονικός κυματοδηγός, ο οποίος αναπτύσσεται στον επάνω κλάδο 103 του εν λόγω πρώτου ΜΖΙ που περιορίζει τη διάδοση του φωτός διαμέσου της σύζευξης στα επιφανειακά πλασμονικά πολαριτόνια (SPP) στη διεπαφή μετάλλου-αναλύτη. Οι πλασμονικοί κυματοδηγοί μπορούν να εφαρμοστούν με ευγενή μέταλλα, όπως ο χρυσός (Au) ή ο άργυρος (Ag), και με μέταλλα χαμηλού κόστους, όπως ο χαλκός (Cu), το αργίλιο (ΑΙ), το νιτρίδιο του τιτανίου (Τι<'>Ν) ή άλλα μέταλλα συμβατά με CMOS. Οι πλασμονικοί κυματοδηγοί μπορούν να εφαρμοστούν με οποιονδήποτε από τους εξής δύο κυματοδηγούς: τον επονομαζόμενο κυματοδηγό λεπτής μεμβράνης (TFW) που περιλαμβάνει μια λεπτή μεταλλική λωρίδα, η οποία εναποτίθεται απευθείας επάνω στο υπόστρωμα οξειδίου με τη βοήθεια μιας κοιλότητας που σχηματίζεται με τη χάραξη της επάνω επικάλυψης του οξειδίου και του πυρήνα του νιτριδίου του πυριτίου μόνο σε αυτό το τμήμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5, ή ο κυματοδηγός μπορεί επίσης να αποτελείται από τον επονομαζόμενο «υβριδικό πλασμο-φωτονικό κυματοδηγό σχισμής (HPPSW) που περιλαμβάνει δύο παράλληλα μεταλλικά σύρματα τοποθετημένα στο επάνω μέρος ενός προκαθορισμένου τμήματος του κυματοδηγού χωρίς την ανάγκη ύπαρξης κοιλότητας ή άλλων βημάτων επεξεργασίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Σε αυτήν την περίπτωση, ο φωτονικός κυματοδηγός κάτω από τις μεταλλικές λωρίδες διακόπτεται κατά τη λιθογραφία χωρίς να απαιτούνται άλλα βήματα επικάλυψης ή επεξεργασίας. Ο πλασμονικός κυματοδηγός και οι ολισθητές φάσης μπορούν να τοποθετηθούν απευθείας επάνω στους φωτονικούς κυματοδηγούς με ένα μόνο βήμα, προσφέροντας μια ακόμη πιο οικονομική εκδοχή του αισθητήρα, και χωρίς χάραξη του φωτονικού κυματοδηγού, έχοντας ως αποτέλεσμα μόνο ένα βήμα τοποθέτησης του μετάλλου, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Οι τιμές διαχωρισμού των μεταλλικών λωρίδων αντιπροσωπεύονται από την απόσταση Wslot, ενώ το μήκος και το πλάτος των μεταλλικών λωρίδων μπορούν να ορισθούν κατά τον σχεδίασμά της επικάλυψης του αισθητήρα ώστε να σχεδιαστούν τόσο ο HPPSW όσο και ο θερμο-οπτικός ολισθητής φάσης, δηλαδή ο θερμαντήρας, σε μία μοναδική επικάλυψη. Χρησιμοποιείται κατευθυντική σύζευξη για τη ζεύξη του φωτός από τον φωτονικό κυματοδηγό στον πλασμονικό και ξανά πίσω στον φωτονικό κυματοδηγό. Ο πλασμονικός κυματοδηγός εκλέπτυνσης στο μπροστινό μέρος του πίσω άκρου του πλασμονικού κυματοδηγού σχισμής του σχήματος2 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την βελτίωση της αποδοτικότητας της σύζευξης.
_
Πίνακας 1
Ο Πίνακας 1 δείχνει πώς αυξάνεται η ευαισθησία με την αύξηση του FSR, μετρημένο για τον TFPW και τον HPPSW σε ΜΖΙ με βέλτιστη πόλωση.
Παρακάτω περιγράφονται τα μέρη του φωτονικού και του πλασμονικού κυματοδηγού. Ο φωτονικός κυματοδηγός που χρησιμοποιείται εδώ βασίζεται σε μια στοιχειομετρική τεχνολογία Si3N4με διάσταση διατομής 360x800 nm και υποστηρίζει δυο καθοδηγούμενους φωτονικούς ρυθμούς στα 1550 nm οπτικού μήκους κύματος σε εγκάρσια μαγνητική (ΤΜ) και σε εγκάρσια ηλεκτρική (ΤΕ) πόλωση. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες διαστάσεις του οπτικού κυματοδηγού που ενδεχομένως υποστηρίζουν τη μετάβαση από τους οπτικούς ρυθμούς στους πλασμονικούς κυματοδηγούς.
Βάσει της δομής αυτής του κυματοδηγού και των δυο ανωτέρω ειδών πλασμονικών κυματοδηγών, χρησιμοποιούνται οι διεπαφές από φωτονική σε πλασμονική σε δυο πτυχές της παρούσας εφεύρεσης. Η πρώτη πτυχή αφορά τη μετάβαση από φωτονικό σε πλασμονικό ρυθμό βασισμένη σε ένα σενάριο απευθείας σύζευξης για τους πλασμονικούς κυματοδηγούς λεπτής μεμβράνης (TFW) για τους οποίους απαιτείται εγκάρσια μαγνητικά (ΤΜ) πολωμένο φως, όπως φαίνεται στα σχήματα 5 και 6. Η δεύτερη πτυχή αφορά τη μετάβαση βάσει του σχήματος κατευθυντικής σύζευξης για τους υβριδικούς πλασμονικούς κυματοδηγούς σχισμής (HPPSW) για τους οποίους απαιτείται εγκάρσια ηλεκτρικά (ΤΕ) πολωμένο φως, όπως φαίνεται στα σχήματα 2, 3 και 4. Και στις δύο περιπτώσεις, η φωτονική δομή είναι ένας ορθογώνιος κυματοδηγός Si3N4με διαστάσεις οι οποίες έχουν επιλεχθεί προσεκτικά, έτσι ώστε να παρέχει τον απαραίτητο μηχανισμό σύζευξης και ταυτόχρονα να συμμορφώνεται με τους κατασκευαστικούς περιορισμούς.
Για τον υβριδικό κυματοδηγό σχισμής, χρησιμοποιείται ο μηχανισμός κατευθυντικής σύζευξης, λόγω της υβριδικής φύσης του χρησιμοποιούμενου κυματοδηγού. Ο συγκεκριμένος υβριδικός κυματοδηγός μπορεί να υποστηρίζει ρυθμούς, κυρίως με κατανομές πεδίου τόσο στο πλασμονικό όσο και στο φωτονικό τμήμα του, οι οποίες -εάν σχεδιαστούν σωστά- μπορεί να παρουσιάσουν ψευδώς άρτια ή περιπή συμμετρία. Επομένως, η ανταλλαγή ισχύος μπορεί να θεωρηθεί αποτέλεσμα της ασυμφωνίας των δυο αυτών ρυθμών. Το σχήμα3 απεικονίζει την διατομή της συγκεκριμένης διαμόρφωσης κυματοδηγού η οποία αποτελείται από έναν δίαυλο κυματοδηγού Si3N4(φωτονικό τμήμα) και μια μεταλλική σχισμή (πλασμονικό τμήμα) που βρίσκεται πάνω από τον κυματοδηγό S13N4. Ανάμεσα από τους δύο κυματοδηγούς, δηλαδή τον φωτονικό και τον πλασμονικό, υπάρχει ένα στρώμα οξειδίου χαμηλής θερμοκρασίας (LTO) που λειτουργεί ως επικάλυψη των φωτονικών κυματοδηγών και ως διαχωριστικό στον υβριδικό κυματοδηγό σχισμής.
Ο υβριδικός κυματοδηγός μπορεί να υποστηρίξει ρυθμούς με κατανομή πεδίου και στο πλασμονικό αλλά και το φωτονικό τμήμα του. Η δισδιάστατη ανάλυση ιδιοτιμών έχει αποδώσει κάθε πιθανό συνδυασμό γεωμετρικών παραμέτρων έτσι ώστε να μπορούν να υποστηρίζονται οι υβριδικοί ρυθμοί με άρτια και περιττή συμμετρία. Ύστερα από ενδελεχή έρευνα επιλέχθηκε η κατάλληλη γεωμετρική διάταξη, π.χ.Wslot= 200nm, πλάτος Si3N4: WSIN= 700 nm και πάχος του LTO: hLTO= 660 nm συνολικά, έτσι ώστε οι ρυθμοί όχι μόνο να παρουσιάζουν την απαραίτητη συμμετρία, αλλά να οδηγούν και σε μικρό μήκος σύζευξης. Στο πλαίσιο αυτό, το κατά προσέγγιση μήκος σύζευξης το οποίο είναι απαραίτητο για την αποτελεσματική μεταφορά της ισχύος από το πλασμονικό στο φωτονικό τμήμα υπολογίστηκε σε περίπου 7 pm. Οι διαστάσεις ενδεχομένως να διαφέρουν ανάλογα με τα εργαλεία εξομοίωσης και τις παραμέτρους.
Τρισδιάστατες ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις με μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων και με σκοπό τον ακριβή συντονισμό της γεωμετρικής διάταξης και ταυτόχρονα την ελαχιστοποίηση του μήκους ασυμφωνίας- και συνεπώς της αλληλεπικαλυπτόμενης περιοχής σύζευξης - καθώς και τη μεγιστοποίηση της μετάβασης της ισχύος από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα και αντίστροφα. Σε αυτό το τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο, ο υβριδικός κυματοδηγός διεγείρεται από έναν φωτονικό ρυθμό ΤΕ και ο κυματοδηγός-οδηγός Si3N4διακόπτεται μετά από μήκος 7 pm (Lc). Η διακοπή αυτή, όπως αναπαριστάται από το επίπεδο Αστό σχήμα 4, αποδείχθηκε ωφέλιμη όσον αφορά την αποτελεσματικότητα της σύζευξης, για το λόγο ότι αποτρέπει και την παραμικρή διαφυγή ισχύος στο φωτονικό τμήμα. Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις με FDTD, μια υβριδική διαμόρφωση τέτοιου είδους μπορεί να μεταφέρει αποτελεσματικά το φως από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα και αντίστροφα, με βαθμό απόδοσης που μπορεί να φθάσει το 68% ανά μετάβαση, όταν χρησιμοποιείται ο χρυσός ως μέταλλο. Για την προσαρμογή του φωτονικού ρυθμού από τον οπτικό κυματοδηγό στον ρυθμό του πλασμονικού κυματοδηγού χρησιμοποιούνται κυματοδηγοί εκλέπτυνσης.
Η ίδια διαδικασία σχεδιασμού μπορεί να ακολουθηθεί χρησιμοποιώντας μέταλλα CMOS για τον υβριδικό κυματοδηγό σχισμής. Εφόσον το μοναδικό τμήμα που τροποποιήθηκε για αυτό τον σκοπό είναι η μεταλλική σχισμή, η ανάλυση δυο σταδίων που παρουσιάστηκε προηγουμένως επαναλήφθηκε: αναλύθηκε δηλαδή μια υβριδική δομή παρόμοια με εκείνη του σχήματος 2 μέσω δισδιάστατης ανάλυσης ιδιοτιμών. Οι δύο άρτιοι και περιττοί συμμετρικοί ρυθμοί έχουν ανιχνευθεί και έχει υπολογιστεί το απαραίτητο μήκος σύζευξης. Στην συνέχεια, προσομοιώθηκε ολόκληρη η δομή του κυματοδηγού μέσω ενός τρισδιάστατου μοντέλου FDTD έτσι ώστε να υπολογιστεί η αποτελεσματικότητα της σύζευξης από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα και αντίστροφα. Όπως ήταν αναμενόμενο, διεγείροντας το φωτονικό τμήμα αυτής της υβριδικής δομής με τον εγκάρσια ηλεκτρικά (ΤΕ) πολωμένο ρυθμό Si3N4 και διακόπτοντας τον κυματοδηγό-οδηγό Si3N4μετά από μήκος Lc= 6 μιπ, το φως μπορεί να μεταφερθεί αποτελεσματικά από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα με βαθμό αποτελεσματικότητας τουλάχιστον της τάξεως του 60% κατά τη χρήση ΑΙ και 74% κατά τη χρήση Cu.
Στην περίπτωση όπου σύμφωνα με την εφεύρεση χρησιμοποιείται ο HPPSW ως πλασμονικός κυματοδηγός ανίχνευσης, ως τελευταίο στάδιο της διαδικασίας κατασκευής ο πλασμονικός κυματοδηγός και οι μεταλλικοί θερμαντήρες του τσιπ του αισθητήρα μπορούν να τοποθετηθούν ταυτόχρονα στο ίδιο επίπεδο σε ένα μόνο μεταλλικό στρώμα κατά την συναρμολόγηση του τσιπ, απλοποιώντας έτσι την κατασκευή και μειώνοντας το κόστος κατασκευής του αισθητήρα. Αξίζει να σημειωθεί ότι το στρώμα διαχωρισμού του οξειδίου παραμένει ίδιο τόσο για τη δομή και του HPPSW όσο και του θερμαντήρα.
Σε αυτή τη διαμόρφωση της φωτονικής προς πλασμονική διεπαφής για έναν κυματοδηγό λεπτής μεμβράνης που απεικονίζεται στα σχήματα 5 και 6, ο μηχανισμός σύζευξης ανάμεσα στον φωτονικό και τον πλασμονικό κυματοδηγό βασίζεται στη χωρική προσαρμογή των δυο ρυθμών. Για τον σκοπό αυτό, προβλέπεται ένα σχήμα απευθείας σύζευξης που περιλαμβάνει έναν φωτονικό κυματοδηγό Si3N4και μια δομή με λεπτή μεμβράνη βασισμένη στο Au. Οι δυο δομές των κυματοδηγών τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε το επίπεδο εισόδου του ενός να συμπίπτει με το επίπεδο εξόδου του άλλου. Η διαδικασία σχεδιασμού έχει στόχο να προσδιορίσει τις ακριβείς γεωμετρικές παραμέτρους κάθε κυματοδηγού έτσι ώστε το φως να μπορεί να περάσει αποτελεσματικά από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα και αντίστροφα. Με γνώμονα αυτό, οι δυο κυματοδηγοί αρχικά αναλύθηκαν ξεχωριστά με δισδιάστατη ανάλυση ιδιοτιμών. Μετά την επιλογή των δύο ιδιορυθμών ταιριάζοντάς τους ως προς την πόλωση, καθώς απαιτείται πόλωση ΤΜ, και ως προς την κατανομή πεδίου, χρησιμοποιήθηκε μια παραμετρική ανάλυση βασισμένη στον υπολογισμό των ολοκληρωμάτων αλληλοεπικάλυψης ισχύος, προκειμένου να ληφθεί μια πρώτη εκτίμηση για τις δυνατότητες σύζευξης ισχύος αυτής της διαμόρφωσης. Η εκτίμηση επαληθεύτηκε σε ένα δεύτερο στάδιο μέσω τρισδιάστατων προσομοιώσεων FDTD.
Ο πλασμονικός κυματοδηγός με λεπτή μεμβράνη αποτελείται από μια λεπτή μεταλλική μεμβράνη που τοποθετείται πάνω από ένα στρώμα S1O2 και νερού που λειτουργεί ως υλικό της επάνω επικάλυψης, έτσι ώστε να προσομοιάζει με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο το περιβάλλον εφαρμογής της βιοανίχνευσης. Η έρευνα ξεκίνησε με τη δισδιάστατη ανάλυση ιδιοτιμών του πλασμονικού αυτού μέρους. Η διαμόρφωση αυτή έχει τη δυνατότητα υποστήριξης ενός πλασμονικού ρυθμού που επικεντρώνεται κυρίως στη διεπαφή μεταλλικής επικάλυψης με τα χαρακτηριστικά του ρυθμού να εξαρτώνται καθοριστικά από τη γεωμετρία της μεταλλικής λωρίδας και το υλικό επικάλυψης. Τα σχήματα 5 και 6 απεικονίζουν τη γεωμετρία αυτού του κυματοδηγού σε προοπτική και πλευρική όψη.
Για τη φωτονική προς πλασμονική διεπαφή, ο φωτονικός κυματοδηγός Si3N4έχει αναλυθεί ξεχωριστά, έτσι ώστε να ερευνηθούν τα χαρακτηριστικά του φωτονικού ΤΜ ρυθμού, συγκεκριμένα η πόλωση και το προφίλ πεδίου. Έπειτα, λήφθηκαν υπόψη οι αναλύσεις των ιδιοτιμών (των κυματοδηγών Si3N4και λεπτής μεμβράνης) ενώ επιλέχθηκαν προσεκτικά οι γεωμετρικές διατάξεις και των δυο μερών για να επιτευχθεί το ταίριασμα των ρυθμών, τόσο χωρικά όσο και από άποψη πόλωσης. Στο επόμενο βήμα, οι δυο αυτές δομές των κυματοδηγών συνδυάστηκαν σε μια διάταξη απευθείας σύζευξης, όπως εκείνη που απεικονίζεται στα σχήματα5 και 6. Το τρισδιάστατο μοντέλο της μονής μετάβασης από ένα φωτονικό σε ένα πλασμονικό μέρος έχει αναλυθεί μέσω τρισδιάστατων προσομοιώσεων FDTD. Με την κατάλληλη προσαρμογή των διαστάσεων των δυο κυματοδηγών, αποδείχθηκε ότι είναι δυνατή η μεγιστοποίηση της μεταφοράς ισχύος από τον φωτονικό στον πλασμονικό ρυθμό και αντίστροφα. Πιο συγκεκριμένα, ύστερα από ενδελεχή έρευνα για τον υπολογισμό των ολοκληρωμάτων αλληλοεπικάλυψης ισχύος, οι διαστάσεις διατομής των δύο κυματοδηγών ορίστηκαν στα 360 nm χ 7,5 μm και 100 nm χ 7μm για τον Si3N4και τη μεταλλική μεμβράνη αντίστοιχα. Στη συνέχεια, για τη μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας της σύζευξης ερευνήθηκε η ακριβής θέση των κυματοδηγών στη διάταξη της διεπαφής, με το hoffsetνα δηλώνει την κάθετη απόκλιση και το Loffsetτην πλευρική απόκλιση, όπως φαίνεται στο σχήμα 6. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις έδειξαν ότι για μια κάθετη απόκλιση της τάξεως των 400 nm, μπορεί να επιτευχθεί μέγιστη αποτελεσματικότητα σύζευξης γύρω στο 64% όταν χρησιμοποιείται ο χρυσός ως το μέταλλο της λεπτής μεμβράνης.
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέταλλα CMOS αντί χρυσού για τη διευκόλυνση της μαζικής παραγωγής του τσιπ βιοαισθητήρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο λόγος μετάδοσης φωτός (αποτελεσματικότητα σύζευξης) από το φωτονικό στο πλασμονικό τμήμα μπορεί να φτάσει το 60% και 68% με τη χρήση ΑΙ και Cu αντίστοιχα. Διαφορετικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ΤiΝ ή άλλες μεταλλικές ενώσεις, συμβατές με CMOS.
Όπως και με τον υβριδικό κυματοδηγό και για την ολοκλήρωση της διεπαφής από την πλασμονική στη φωτονική, σχεδιάστηκε και χρησιμοποιήθηκε ένας φωτονικός κυματοδηγός εκλέπτυνσης ο οποίος χρησιμοποιεί προγενέστερες τεχνικές, για τη ρύθμιση του πλάτους του Si3N4από 800 nm σε 7,5 μm.
Επιμέρους παραδείγματα υλικών οξειδίου για την πάνω επικάλυψη του φωτονικού κυματοδηγού είναι τα LTO, SiO2, SU8 καθώς και άλλα οξείδια με παρόμοιες οπτικές ιδιότητες για κάθε πτυχή της παρούσας εφεύρεσης.
Ο ολοκληρωμένος αισθητήρας με όλα τα παραπάνω μέρη μπορεί να ενσωματωθεί μονολιθικά σε ένα μόνο τσιπ με τη χρήση μεγάλων πλακιδίων CMOS και εργοστασιακών ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, έτσι ώστε να μειωθεί το κόστος για κάθε τσιπ αισθητήρα ενώ παράλληλα να παρέχεται απόδοση διασπαστικής ευαισθησίας. Εναλλακτικά, στην πτυχή της εφεύρεσης στην οποία χρησιμοποιούνται άργυρος ή χρυσός για τους πλασμονικούς κυματοδηγούς, μια επιμέρους διαδικασία τοποθέτησης μετάλλου απαιτείται εκτός των μονάδων παραγωγής CMOS ή εντός ειδικά διαμορφωμένων τμημάτων στις μονάδες παραγωγής CMOS όπου μπορούν να λάβουν χώρα διαδικασίες τοποθέτησης χρυσού ή αργύρου..
Όπως προκύπτει από τη μεθοδολογία σχεδιασμού του αισθητήρα, στην παρούσα εφεύρεση, ο ωφέλιμος δείκτης του πλασμονικού κυματοδηγού εξαρτάται από τη συγκέντρωση των στοχευόμενων ουσιών στο ελεγχόμενο υγρό ή αέριο το οποίο είναι τοποθετημένο στον πλασμονικό κυματοδηγό με τη βοήθεια γνωστών μεθόδων τροποποίησης της επιφάνειας. Η αλλαγή του ωφέλιμου δείκτη του πλασμονικού κυματοδηγού έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση των φασματικών διεγέρσεων του αισθητήρα ΜΖΙ. Η μετατόπιση της διέγερσης έναντι της μεταβολής του δείκτη διάθλασης του υγρού καθορίζει την ευαισθησία του αισθητήρα. Η ευαισθησία μάζας του αισθητήρα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο<1>
όπου, «λ» το μήκος κύματος του οπτικού σήματος, «nliq» ο δείκτης διάθλασης του εφαρμοσμένου υγρού και «neff» ο ωφέλιμος δείκτης του πλασμονικού κυματοδηγού, ο οποίος αναφέρεται από τον Xu Sun κ.ά. στη δημοσίευση με τίτλο «High Sensitivity liquid refractive index sensor based on a Mach-Zehnder interferometer with a double-slot hybrid plasmonic waveguide», OSA Optics Express, Vol.3, No 20, 2015.
Οι πλασμονικοί κυματοδηγοί μεγιστοποιούν τον δεύτερο όρο καθώς το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρικού πεδίου του οπτικού ρυθμού διέρχεται από την διεπαφή νερού-μετάλλου του πλασμονικού κυματοδηγού, ενώ στους κυματοδηγούς φωτονικής ανίχνευσης η χωρική αλληλεπικάλυψη μεταξύ του φθίνοντος πεδίου του οπτικού ρυθμού και του αναλύτη είναι πολύ μικρότερη.
Ο πρώτος όρος της εξίσωσης 1 μεγιστοποιείται με τη βέλτιστη πόλωση του συμβολόμετρου η οποία επιτυγχάνεται με την χρήση των υλοποιήσεων που έχουν ήδη περιγράφει, μαζί με όλα τα μέρη που περιγράφονται παραπάνω. Συγκεκριμένα, εφόσον οι οπτικές διαδρομές μεταξύ των κλάδων ΜΖ έχουν σχεδιαστεί για ένα συγκεκριμένο FSR, τότε η βελτιστοποίηση της πόλωσης του αισθητήρα επιτυγχάνεται με τη χρήση των θερμαντήρων 1 και 2 (106) στο ΜΖΙ2 (111), όπως φαίνεται στο σχήμα 1 .
Στο σχήμα 1 συμπεριλαμβάνεται ο θερμαντήρας 1 προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η οπτική διαδρομή του κάτω κλάδου, ώστε μια σχετική αλλαγή φάσης μεταξύ του φωτός του άνω και του κάτω κλάδου να είναι πολλαπλάσια των π ακτινίων για το μήκος κύματος της συγκεκριμένης λειτουργίας. Κάτι τέτοιο επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ηλεκτρικής ισχύος, δηλαδή τάσης συνεχούς ρεύματος (DC και στις δύο μεταλλικές λωρίδες του θερμαντήρα 1 . Για την παρακολούθηση της διαφοράς στην οπτική διαδρομή μεταξύ των άνω και των κάτω κλάδων του ΜΖΙ απαιτείται ένας μετρητής οπτικής ισχύος, όπως αυτοί που είναι ήδη γνωστοί στους ειδικούς του κλάδου..
Στο σχήμα 1 ο θερμαντήρας 1 συμπεριλαμβάνεται στο ΜΖΙ 2 προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η οπτική ισχύς στον κάτω κλάδο, ώστε οι οπτικές απώλειες του κάτω κλάδου να είναι ίσες με τις οπτικές απώλειες του άνω κλάδου. Το ΜΖΙ 2 λειτουργεί ως μεταβλητός οπτικός εξασθενητής (VOA) ο οποίος χρησιμοποιείται για την εξισορρόπηση της οπτικής ισχύος στους δυο κλάδους του ΜΖΙ. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ηλεκτρικής ισχύος (τάσης DC) και στις δυο μεταλλικές λωρίδες του θερμαντήρα 2. Οι ίσες απώλειες και στους δυο κλάδους θα έχουν ως αποτέλεσμα τον μέγιστο λόγο αποσβέσεως του συμβολόμετρου, όπως γνωρίζουν οι ειδικοί του κλάδου, μειώνοντας έτσι το εύρος γραμμής του συντονισμού στην έξοδο του ΜΖΙ και αυξάνοντας αποτελεσματικά την ακρίβεια μετρήσεως της ανίχνευσης καθώς και τον συντελεστή ποιότητας.
Εφόσον προσδιοριστούν οι κύριες τάσεις DC για την εξισορρόπηση του συμβολόμετρου στους θερμαντήρες 1 και 2, οι τάσεις αυτές θα πρέπει να προσαρμοστούν σωστά με μέθοδο διαδοχικών προσεγγίσεων μεταξύ των 2 τάσεων DC για την πλήρη βελτιστοποίηση της πόλωσης του συμβολόμετρου. Μόλις επιτευχθεί αυτό, επιτυγχάνεται και ο συντονισμός του μήκους κύματος (701) στην έξοδο του ΜΖΙ1 (110). Στη συνέχεια, ο αναλύτης τοποθετείται στους πλασμονικούς κυματοδηγούς (107) μέσω υφιστάμενων τεχνολογικών μεθόδων π.χ. ρευστολογικοί θάλαμοι ή χειροκίνητα, μετράται ο συντονισμός του συμβολόμετρου στην έξοδο του αισθητήρα και μετράται επίσης η μετατόπιση του συντονισμού στο οπτικό φάσμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 7. Η μετατόπιση του συντονισμού (702-705) εξαρτάται από την μεταβολή του δείκτη διάθλασης του αναλύτη. Για αυτή τη μέτρηση, ο πρώτος και ο δεύτερος όρος της εξίσωσης 1 απεικονίζονται στα σχήματα 8 και 9 και καταλήγουν στις συνολικές τιμές ευαισθησίας της διάταξης αισθητήρα.
Με αυτή τη μέθοδο και χρησιμοποιώντας την εξίσωση 1 για ένα κύκλωμα αισθητήρα FSR 1164 nm, επιτυγχάνεται ευαισθησία της τάξεως των 162.000 nm/RIU με τη χρήση του TFW και της τάξεως των 11.792 nm/RIU με τη χρήση του HPPSW, χρησιμοποιώντας εργαλεία αριθμητικής μοντελοποίησης. Είναι δυνατή η επίτευξη μικρότερου ή ακόμα και μεγαλύτερου FSR, δηλαδή μικρότερης ή μεγαλύτερης ευαισθησίας, με τον ανάλογο σχεδίασμά των διαφορών της οπτικής διαδρομής και ακολουθώντας την ίδια μέθοδο βελτιστοποίησης του αισθητήρα.
Επιπρόσθετα παρέχεται και μια μέθοδος μέτρησης αισθητήρα. Γ ια τη μέτρηση της μεταβολής του δείκτη διάθλασης της διάταξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν τρεις διαφορετικές μέθοδοι εξακρίβωσης:
- Η πρώτη συνίσταται στη μέτρηση της φασματικής μετατόπισης του συντονισμού του πρώτου ΜΖΙ με τη χρήση συντονίσιμου λέιζερ και μετρητή ισχύος: ένα συντονίσιμο λέιζερ απαιτείται ως οπτική πηγή στην είσοδο του αισθητήρα ενώ ένας μετρητής ισχύος απαιτείται στην έξοδο του αισθητήρα. Μια μεταβολή της φασματικής απόκρισης του αισθητήρα πριν και μετά την εφαρμογή του αναλύτη στον πλασμονικό κυματοδηγό θα υποδείξει τη φασματική μετατόπιση του συντονισμού, όπως είναι γνωστό στους ειδικούς του κλάδου.
- Η δεύτερη μέθοδος συνίσταται στη μέτρηση της φασματικής μεταβολής του συντονισμού του πρώτου ΜΖΙ με τη χρήση μιας ευρυζωνικής οπτικής πηγής και ενός αναλυτή οπτικού φάσματος: Απαιτείται μια ευρυζωνική οπτική πηγή όπως μια πηγή λευκού φωτός, λυχνία LED ή συστοιχίες λυχνιών LED ή οποιοδήποτε άλλο είδος ευρυζωνικής πηγής ως οπτική πηγή στην είσοδο του αισθητήρα όπως επίσης και ένας αναλυτής φάσματος απαιτείται στην έξοδο του αισθητήρα. Μια μεταβολή της φασματικής απόκρισης του αισθητήρα πριν και μετά την εφαρμογή του αναλύτη στον πλασμονικό κυματοδηγό θα υποδείξει τη φασματική μετατόπιση του συντονισμού, όπως είναι γνωστό στους ειδικούς του κλάδου.
- Η τρίτη μέθοδος συνίσταται στη μέτρηση μετατόπισης του φάσματος στον πλασμονικό κυματοδηγό με τη χρήση μίας μόνο πηγής μήκους κύματος: Για τα ίδια FSR με τα παραπάνω είναι δυνατή η απευθείας συσχέτιση της μεταβολής του δείκτη διάθλασης με τη μετατόπιση φάσης, εισάγοντας φως με ένα μόνο μήκος κύματος στην είσοδο του αισθητήρα και μετρώντας την οπτική ισχύ στην έξοδο του πρώτου ΜΖΙ με τη βοήθεια ενός μετρητή ισχύος. Όπως είναι ήδη γνωστό στους ειδικούς του τομέα, οι ημιτονοειδείς διακυμάνσεις της ισχύος έναντι του χρόνου παρέχουν τη μετατόπιση φάσης σε ακτίνια.
Μια άλλη πτυχή της παρούσας εφεύρεσης αποτελείται από μια πολυπλεγμένη διαμόρφωση ΜΖΙ και από επιλεκτικά οπτικά φίλτρα μήκους κύματος για την επίτευξη ταυτόχρονης ανίχνευσης πολλαπλών ουσιών χρησιμοποιώντας το ίδιο τσιπ, κάτι το οποίο είναι γνωστό και ως πολυκαναλική ανίχνευση. Η υλοποίηση που περιγράφεται παραπάνω συνδυάζεται, όπως φαίνεται στο σχήμα10, για την επίτευξη της ανίχνευσης τριών ουσιών ταυτόχρονα.
Στο σχήμα 10 απεικονίζονται τρεις ένθετοι αισθητήρες ΜΖΙ οι οποίοι, με τη χρήση των παραπάνω υλοποιήσεων, αποτελούν τους τρεις άνω κλάδους με πλασμονικούς κυματοδηγούς (1007) και τρία αντίγραφα των κάτω κλάδων με θερμαντήρες (1005) και VOA (1008), όπως περιγράφεται σε προγενέστερες υλοποιήσεις. Και για τα τρία ΜΖΙ χρησιμοποιείται ένας κοινός οπτικός διαχωριστής και ένας κοινός συνδυαστής στην είσοδο και την έξοδο του τσιπ αντίστοιχα. Κάθε αισθητήρας ΜΖΙ χρησιμοποιεί ένα ξεχωριστό μήκος κύματος εκ των τριών μηκών κύματος τα οποία εισάγονται ταυτόχρονα στον βιοαισθητήρα μέσω του οπτικού διαχωριστή (1003). Επίσης, κάθε ΜΖΙ περιλαμβάνει οπτικά φίλτρα (1006) στην είσοδο των κλάδων του και μετά από τον διαχωριστή εισόδου, για την επιλογή του μήκους κύματος της λειτουργίας του από τα εισερχόμενα οπτικά σήματα. Ως οπτικά φίλτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι συντονιστές δακτυλίου που χρησιμοποιούνται στις υφιστάμενες τεχνολογίες, καθώς και άλλα οπτικά φίλτρα με παρόμοια λειτουργικότητα.
Μια άλλη πτυχή αυτού του τρόπου πραγμάτωσης είναι η εγκατάσταση ενός πολυπλέκτη WDM αντί του κοινού συζεύκτη εισόδου και των οπτικών φίλτρων, όπως φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών AWG, πολυπλέκτες βασισμένοι στα φράγματα Bragg ή άλλος πολυπλέκτης WDM με παρόμοια λειτουργικότητα.
Είναι δυνατή η ενσωμάτωση περισσότερων καναλιών ανίχνευσης σε ένα μόνο τσιπ, ανάλογα με τις απαιτήσεις του χρήστη και το εμβαδόν του τσιπ.
Claims (13)
1. Διάταξη που αποτελείται τουλάχιστον από έναν οπτικό συμβολομετρικό αισθητήρα, και συγκεκριμένα από έναν πρώτο (211) συμβολομετρικό αισθητήρα Mach-Zehnder (ΜΖΙ1) με μεγάλο FSR, στον οποίο ενσωματώνεται ένας πλασμονικός κυματοδηγός (107), και συγκεκριμένα κυματοδηγός λεπτής μεμβράνης ή υβριδικός κυματοδηγός σχισμής, ως στοιχείο μορφοτροπέα επίπεδα ενσωματωμένο σε φωτονικούς κυματοδηγούς Si3N4, και από έναν ακόμα οπτικό συμβολομετρικό αισθητήρα, και συγκεκριμένα από έναν δεύτερο αισθητήρα τύπου Mach-Zehnder (ΜΖΙ2). Και οι δύο αισθητήρες φέρουν θερμο-οπτικούς θερμαντήρες (104, 106), ως μεταβλητό οπτικό εξασθενητή, για την βέλτιστη δυνατή πόλωση των συμβολόμετρων ΜΖΙ1 και ΜΖΙ2, καθώς και συνολικό τσιπ (112), η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι περιλαμβάνει: - μια ομάδα φωτονικών κυματοδηγών (103) με λωρίδα νιτριδίου του πυριτίου υψηλού δείκτη (303, 603), που είναι τοποθετημένη μεταξύ ενός υποστρώματος οξειδίου χαμηλού δείκτη (SiO2) και ενός επιστρώματος οξειδίου χαμηλού δείκτη (LTO),
ή άλλου οξειδίου με παρόμοιο δείκτη διάθλασης και τεχνική κατασκευής,
- δομές οπτικής σύζευξης (102, 109) και στα δύο άκρα του αισθητήρα, οι οποίες λειτουργούν ως οπτικές είσοδοι/έξοδοι,
- έναν οπτικό διαχωριστή (102) και έναν οπτικό συνδυαστή (109) για οπτικό διαχωρισμό στον πρώτο κόμβο (102) του εν λόγω αισθητήρα (ΜΖΙ1) και οπτικό συνδυασμό στον δεύτερο κόμβο (109) του εν λόγω πρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1), και συγκεκριμένα κόμβο μορφής «Υ», κατευθυντικό συζεύκτη ή πολυρυθμικό συζεύκτη συμβολής (ΜΜΙ),
- έναν μεταβλητό οπτικό εξασθενητή (VOA) με τον εν λόγω πρόσθετο δεύτερο αισθητήρα (ΜΖΙ2), ο οποίος είναι τοποθετημένος εντός του πρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1), με τη χρήση ενός οπτικού διαχωριστή και ενός οπτικού συνδυαστή για οπτικό διαχωρισμό στον πρώτο κόμβο του ανωτέρωπρόσθετου δεύτερου αισθητήρα (ΜΖΙ2) και βέλτιστο συνδυασμό στον δεύτερο κόμβο του δεύτερου αισθητήρα (ΜΖΙ2),
- μια ομάδα θερμο-οπτικών ολισθητών φάσης (104, 106) για το συντονισμό της φάσης του οπτικού σήματος στον κλάδο αναφοράς (104, 106) του κάθε αισθητήρα (ΜΖΙ1 , ΜΖΙ2) -(VOA), όπου οι θερμο-οπτικοί ολισθητές φάσης σχηματίζονται με την τοποθέτηση δύο παράλληλων μεταξύ τους μεταλλικών λωρίδων στο επάνω μέρος ενός τμήματος του φωτονικού κυματοδηγού και κατά μήκος της κατεύθυνσης διάδοσης του φωτός,
- έναν πλασμονικό κυματοδηγό (107), που αναπτύσσεται στον άνω κλάδο (103) του ανωτέρωπρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1), ο οποίος περιορίζει τη διάδοση του φωτός διαμέσου της σύζευξης στα επιφανειακά πλασμονικά πολαριτόνια (SPP) στη διεπαφή μετάλλουαναλύτη.
2. Διάταξη σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι,ι οι ανωτέρω πλασμονικοί κυματοδηγοί κατασκευάζονται αφενός με ευγενή μέταλλα, όπως ο χρυσός (Au) ή ο άργυρος (Ag), και αφετέρου με μέταλλα που έχουν χαμηλό κόστος, όπως ο χαλκός (Cu), το αργίλιο (ΑΙ), το νιτρίδιο του τιτανίου (ΤiΝ) ή άλλα μέταλλα που είναι συμβατά με CMOS.
3. Διάταξη σύμφωνα με την αξίωση 1 ή 2, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, οι ανωτέρω πλασμονικοί κυματοδηγοί αποτελούνται από έναν από τους δύο παρακάτω κυματοδηγούς:
- έναν κυματοδηγό λεπτής μεμβράνης (TFW), όπως αποκαλείται, ο οποίος αποτελείται από μια λεπτή μεταλλική λωρίδα που τοποθετείται απευθείας επάνω στο υπόστρωμα οξειδίου με τη βοήθεια μιας κοιλότητας η οποία σχηματίζεται με την εγχάραξη της επάνω επίστρωσης οξειδίου και του πυρήνα από νιτρίδιο πυριτίου του φωτονικού κυματοδηγού μόνο σε αυτό το τμήμα, ή
- έναν υβριδικό πλασμο-φωτονικό κυματοδηγό σχισμής (HPPSW) που αποτελείται από δύο παράλληλα μεταλλικά σύρματα (202, 305) τοποθετημένα απευθείας πάνω σε ένα προκαθορισμένο τμήμα του κυματοδηγού (405) χωρίς την ανάγκη ύπαρξης κοιλότητας ή άλλων σταδίων επεξεργασίας, όπου ο φωτονικός κυματοδηγός κάτω από τις μεταλλικές λωρίδες (303, 403) διακόπτεται κατά τη λιθογραφία χωρίς επιπλέον στάδια επικάλυψης ή επεξεργασίας, και ο πλασμονικός κυματοδηγός σχισμής (202, 107), όπως και οι ολισθητές φάσης (104), τοποθετούνται απευθείας πάνω από τους φωτονικούς κυματοδηγούς (103, 303, 403)σε ένα μόνο βήμα χωρίς εγχάραξη του φωτονικού κυματοδηγού και με ένα βήμα μονού μεταλλικού στρώματος, όπου οι τιμές διαχωρισμού των μεταλλικών λωρίδων (305), σε απόσταση WSlot, και το μήκος και πλάτος των μεταλλικών λωρίδων καθορίζονται κατά τον σχεδίασμά της επικάλυψης του αισθητήρα ώστε να σχεδιαστεί τόσο ο HPPSW όσο και ο θερμο-οπτικός ολισθητής φάσης, θερμαντήρας (104) σε μία μοναδική επικάλυψη, και ακόμη ειδικότερα όπου, περιλαμβάνεται κατευθυντική σύζευξη για τη ζεύξη του φωτός από τον φωτονικό κυματοδηγό (101 , 303, 403) στον πλασμονικό 202, 305, 405) και ξανά πίσω στον φωτονικό κυματοδηγό (103, 303, 403), όπου χρησιμοποιείται επίσης πλασμονικός κυματοδηγός εκλέπτυνσης στον μπροστινό και στο πίσω τμήμα του πλασμονικού κυματοδηγού (202, 305, 405) για βελτιωμένη αποτελεσματικότητα της σύζευξης.
4. Διάταξη, σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι κατασκευάζεται από άλλα φωτονικό υλικά που είναι συμβατά με τους CMOS, όπως είναι το Si και το πυρίτιο σε μονωτή (SOI) και το ΤiO2.
5. Διάταξη, σύμφωνα με μία από τις αξιώσεις 1 έως 3, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, κατασκευάζεται από μεταλλικά υλικά που είναι συμβατά με CMOS, όπως τα ΑΙ, Cu, TiN ή ενώσεις αυτών των υλικών.
6. Διάταξη, σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, ειδικότεραί έως 3, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, αυτή περιλαμβάνει δικατευθυντικούς κάθετους συζεύκτες περιθλαστικού φράγματος που είναι διατεταγμένοι αντίθετα με άλλες οπτικές εισόδους/εξόδους και τον διαχωριστή/συνδυαστή του ανωτέρω πρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1) ώστε να λειτουργούν ταυτοχρόνως ως κάθετες είσοδοι/έξοδοι και ως διαχωριστής/συνδυαστής του ανωτέρω πρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1).
7. Συσκευή που αποτελείται από συστοιχίες διατάξεων, όπως αυτές ορίζονται σε οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, κυρίως 1 έως 3, για την ταυτόχρονη ανίχνευση πολλών διαφορετικών ουσιών στο ίδιο τσιπ, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι η συσκευή αυτή περιλαμβάνει πολλαπλά κυκλώματα των άνω κλάδων με πλασμονικούς κυματοδηγούς και τα ίδια αντίγραφα των κάτω κλάδων με θερμαντήρες και VOA, όπου είναι τοποθετημένοι ένας κοινός οπτικός διαχωριστής και ένας κοινός συνδυαστής στην είσοδο και την έξοδο του κυκλώματος αντίστοιχα για όλους τους ΜΖΙ, όπου κάθε αισθητήρας ΜΖΙ χρησιμοποιεί ένα διακριτό μήκος κύματος από τα ίσα σε αριθμό μήκη κύματος που εισάγονται στον βιοαισθητήρα μέσω του οπτικού διαχωριστή, όπου κάθε ΜΖΙ περιλαμβάνει επίσης οπτικά φίλτρα στην είσοδο των κλάδων του και μετά τον διαχωριστή εισόδου ώστε να επιλέγει το μήκος κύματος της λειτουργίας του μεταξύ των εισερχόμενων οπτικών κυμάτων, και συγκεκριμένα όπου τα ανωτέρω οπτικά φίλτρα ή άλλα οπτικά φίλτρα με παρόμοια λειτουργία, όπως τα AWG, αποτελούνται από συντονιστές δακτυλίου.
8. Συσκευή σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, ειδικότερα 7, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, περιλαμβάνει ενσωματωμένες οπτικές πηγές, συγκεκριμένα VCSEL, LED, ευρυζωνικές πηγές ή άλλες οπτικές πηγές και οπτικούς φωτοανιχνευτές, που είναι τοποθετημένοι στις εισόδους και στις εξόδους των διατάξεων αντίστοιχα, ακόμη ειδικότερα όπου, η οπτική πηγή και οι φωτοανιχνευτές ενσωματώνονται με συγκόλληση ψηφίδων χωρίς ακροδέκτες ή με συγκόλληση πλακιδίων ή με σύνδεση χύτευσης ή με άλλες επιταξιακές τεχνικές ανάπτυξης επάνω από τον συζεύκτη περιθλαστικού φράγματος ή στο ίδιο επίπεδου με αυτό του φωτονικού κυματοδηγού.
9. Συσκευή σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, ειδικότερα με τις δύο τελευταίες αξιώσεις 7 ή 8, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, αυτή περιλαμβάνει συστοιχίες ολοκληρωμένων οπτικών πηγών και οπτικών ανιχνευτών στις εισόδους και στις εξόδους των διατάξεων αντίστοιχα, ειδικότερα όπουη οπτική πηγή και οι φωτοανιχνευτές ενσωματώνονται με συγκόλληση ψηφίδων χωρίς ακροδέκτες ή με συγκόλληση πλακιδίων ή με σύνδεση χύτευσης ή με άλλες επιταξιακές τεχνικές ανάπτυξης επάνω από τον συζεύκτη περιθλαστικού φράγματος ή στο ίδιο επίπεδου με αυτό του φωτονικού κυματοδηγού.
10. Συσκευή σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, συγκεκριμένα 7 έως 9, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, αυτή περιλαμβάνει κάθετες ηλεκτρικές διασυνδέσεις, γνωστές και ως διασυνδέσεις διαμέσου του πυριτίου, (TSV) οι οποίες είναι συνδεδεμένες και ελέγχουν ηλεκτρικά τους θερμο-οπτικούς ολισθητές φάσης μέσω ενός τρισδιάστατου ηλεκτρονικού κυκλώματος ενσωματωμένου στο ίδιο τσιπ.
11. Διάταξη σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, συγκεκριμένα 7 έως 10, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, αυτή περιλαμβάνει έναν πρόσθετο ρευστολογικό δίαυλο, ο οποίος είναι τοποθετημένος στην επιφάνεια του πλασμονικού κυματοδηγού για τη ροή ενός προκαθορισμένου διαλύματος/αναλύτη στο στοιχείο του πλασμονικού μορφοτροπέα.
12. Διάταξη σύμφωνα μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, συγκεκριμένα 7 έως 11, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι, επιπλέον στρώματα σύλληψης δημιουργούνται στην επιφάνεια του πλασμονικού μορφοτροπέα για την ανίχνευση συγκεκριμένων βιολογικών ή/και χημικών ουσιών ή/και μορίων.
13. Μέθοδος για τη διάταξη σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, συγκεκριμένα7 έως 12, όπου κατασκευάζονται πρόσθετοι μη επιφανειακά ενεργοποιημένοι πλασμονικοί κυματοδηγοί ίδιων διαστάσεων στον κάτω κλάδο του ανωτέρωπρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1) ή αντίστοιχοοι ισοδύναμοι στη διάταξη ΜΖΙ, ειδικότερα όπου ο στοχευόμενος αναλύτης καθοδηγείται σε αυτόν τον πρόσθετο κυματοδηγό, όπως και στον επιφανειακά ενεργοποιημένο κυματοδηγό στον επάνω κλάδο του εν λόγω πρώτου αισθητήρα (ΜΖΙ1) και, όπου έτσι εξαλείφονται τυχόν εμπλοκές ή θόρυβος.
Priority Applications (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20170100088A GR1009480B (el) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο |
| EP18712001.9A EP3583406B1 (en) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
| CA3053715A CA3053715A1 (en) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
| KR1020197027156A KR102499209B1 (ko) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | 통합형 플라즈모-포토닉 바이오센서 및 사용 방법 |
| CN201880012235.9A CN110325840B (zh) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | 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 |
| AU2018221428A AU2018221428B2 (en) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
| PCT/GR2018/000007 WO2018150205A1 (en) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
| EA201991909A EA201991909A1 (ru) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Интегрированный плазмонно-фотонный биосенсор и способ его использования |
| US16/486,871 US11204326B2 (en) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
| JP2019565992A JP7212901B2 (ja) | 2017-02-17 | 2018-02-20 | 集積化プラズモフォトニックバイオセンサおよび使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20170100088A GR1009480B (el) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR20170100088A GR20170100088A (el) | 2018-10-31 |
| GR1009480B true GR1009480B (el) | 2019-03-19 |
Family
ID=59325571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20170100088A GR1009480B (el) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11204326B2 (el) |
| EP (1) | EP3583406B1 (el) |
| JP (1) | JP7212901B2 (el) |
| KR (1) | KR102499209B1 (el) |
| CN (1) | CN110325840B (el) |
| AU (1) | AU2018221428B2 (el) |
| CA (1) | CA3053715A1 (el) |
| EA (1) | EA201991909A1 (el) |
| GR (1) | GR1009480B (el) |
| WO (1) | WO2018150205A1 (el) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109238990B (zh) * | 2018-11-06 | 2024-05-31 | 广州市怡文环境科技股份有限公司 | 一种气体浓度检测系统和方法 |
| CN109445025A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-08 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 一种光混频器相位误差的修正方法及结构 |
| EP3671186A1 (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-24 | IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik | Photonic sensor chip, packaged photonic sensor device and arrangement |
| CN113785404B (zh) * | 2019-03-01 | 2022-10-28 | 加州理工学院 | 波导集成等离子体激元辅助场发射检测器 |
| US11808569B2 (en) * | 2020-03-22 | 2023-11-07 | Strike Photonics, Inc. | Waveguide enhanced analyte detection apparatus |
| WO2021207834A1 (en) | 2020-04-13 | 2021-10-21 | The University Of British Columbia | Photonic sensor using a fixed-wavelength laser |
| CN113917603B (zh) * | 2021-03-26 | 2023-06-16 | 广东工业大学 | 基于亚波长金属/介质的集成光学器件 |
| CN113253403B (zh) * | 2021-06-17 | 2021-10-29 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种光学器件、电子器件和可编程光子集成电路 |
| CN113532493B (zh) * | 2021-07-26 | 2023-03-24 | 吉林大学 | 一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器及其制备方法 |
| EP4148469A1 (en) * | 2021-09-14 | 2023-03-15 | Cambridge Enterprise, Ltd. | Photonic crystal-based sensor |
| CN114089474B (zh) * | 2021-11-30 | 2024-04-19 | 吉林大学 | 一种有机无机混合集成的可变光衰减器及其制备方法 |
| WO2023119475A1 (ja) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 日本電信電話株式会社 | 光デバイス |
| WO2023139408A1 (en) * | 2022-01-21 | 2023-07-27 | Bialoom Ltd | Optical interferometric sensor |
| CN115290605B (zh) * | 2022-04-29 | 2024-01-02 | 科竟达生物科技有限公司 | 炽热表面等离子体共振生物芯片、其制造方法、包含其的生物传感系统及其应用 |
| ES2975382A1 (es) * | 2022-11-16 | 2024-07-04 | Univ Malaga | Biosensor fotonico integrado con capacidad de discriminacion de capas y sistema de lectura coherente, dispositivo, conjunto y metodos asociados al mismo |
| CN117470806B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-26 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000073848A2 (en) * | 1999-05-25 | 2000-12-07 | Jds Uniphase Corporation | Optical pulse generation using a high order transfer function waveguide interferometer |
| US20080158563A1 (en) * | 2006-08-21 | 2008-07-03 | Pierre Simon Joseph Berini | Sensors |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE59712897D1 (de) | 1996-03-30 | 2008-01-03 | Novartis Ag | Integriert optischer lumineszenzsensor |
| JPH1020348A (ja) * | 1996-06-28 | 1998-01-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光可変減衰器 |
| US7212692B2 (en) | 2002-11-08 | 2007-05-01 | Ming Yan | Multiple array surface plasmon resonance biosensor |
| JP2005009944A (ja) | 2003-06-18 | 2005-01-13 | Hitachi Ltd | 化学物質検出装置 |
| JP2006071300A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Hitachi Ltd | 生化学物質検出装置 |
| WO2006122402A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal | Plasmon-polariton refractive-index fiber bio-sensor with fiber bragg grating |
| KR100801278B1 (ko) * | 2006-08-29 | 2008-02-04 | 삼성전기주식회사 | 하이브리드형 광도파로 센서 |
| US8116600B2 (en) * | 2007-02-19 | 2012-02-14 | Nec Corporation | Optical phase modulation element and optical modulator using the same |
| US7715667B2 (en) * | 2008-02-26 | 2010-05-11 | Sungkyunkwan University Foundation For Corporate Collaboration | Metal waveguide device and nano plasmonic integrated circuits and optical integrated circuit module using the same |
| EP2310806A2 (en) * | 2008-07-24 | 2011-04-20 | Ramot at Tel-Aviv University Ltd. | Enhanced sensitivity interferometric sensors |
| IT1397108B1 (it) * | 2008-09-23 | 2012-12-28 | Calmed S R L | Procedimento di fabbricazione di un dispositivo a cristallo fotonico provvisto di guida d'onda plasmonica. |
| DK2214049T3 (da) | 2009-02-03 | 2012-03-26 | Optisense B V | Integreret optisk føler, som beror på et lysbølgeleder-interferometer |
| JP2015135386A (ja) | 2014-01-16 | 2015-07-27 | 国立大学法人東北大学 | 光リング共振器および波長選択スイッチ |
| JP6467781B2 (ja) | 2014-03-31 | 2019-02-13 | 住友大阪セメント株式会社 | 光変調器 |
-
2017
- 2017-02-17 GR GR20170100088A patent/GR1009480B/el active IP Right Grant
-
2018
- 2018-02-20 WO PCT/GR2018/000007 patent/WO2018150205A1/en unknown
- 2018-02-20 US US16/486,871 patent/US11204326B2/en active Active
- 2018-02-20 AU AU2018221428A patent/AU2018221428B2/en not_active Ceased
- 2018-02-20 EA EA201991909A patent/EA201991909A1/ru unknown
- 2018-02-20 CN CN201880012235.9A patent/CN110325840B/zh active Active
- 2018-02-20 KR KR1020197027156A patent/KR102499209B1/ko active IP Right Grant
- 2018-02-20 JP JP2019565992A patent/JP7212901B2/ja active Active
- 2018-02-20 CA CA3053715A patent/CA3053715A1/en active Pending
- 2018-02-20 EP EP18712001.9A patent/EP3583406B1/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000073848A2 (en) * | 1999-05-25 | 2000-12-07 | Jds Uniphase Corporation | Optical pulse generation using a high order transfer function waveguide interferometer |
| US20080158563A1 (en) * | 2006-08-21 | 2008-07-03 | Pierre Simon Joseph Berini | Sensors |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ALAM M. Z.; BAHRAMI F.; AITCHISON J. S.; MOJAHEDI M.: "Analysis and Optimization of Hybrid Plasmonic Waveguide as a Platform for Biosensing", IEEE PHOTONICS JOURNAL, IEEE, USA, vol. 6, no. 4, 1 August 2014 (2014-08-01), USA, pages 1 - 10, XP011552586, DOI: 10.1109/JPHOT.2014.2331232 * |
| JIANGHAI WO, GUANGHUI WANG, YING CUI, QIZHEN SUN, RUIBING LIANG, PERRY PING SHUM, AND DEMING LIU: "Refractive index sensor using microfiber-based Mach�Zehnder interferometer", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, vol. 37, no. 1, 1 January 2012 (2012-01-01), US, pages 67 - 69, XP001572448, ISSN: 0146-9592, DOI: 10.1364/OL.37.000067 * |
| XP55414114 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201991909A1 (ru) | 2021-02-05 |
| WO2018150205A8 (en) | 2019-05-09 |
| EP3583406A1 (en) | 2019-12-25 |
| KR102499209B1 (ko) | 2023-02-10 |
| GR20170100088A (el) | 2018-10-31 |
| CN110325840A (zh) | 2019-10-11 |
| CN110325840B (zh) | 2023-02-03 |
| EP3583406C0 (en) | 2023-10-18 |
| AU2018221428A1 (en) | 2019-10-10 |
| KR20190128172A (ko) | 2019-11-15 |
| EP3583406B1 (en) | 2023-10-18 |
| US11204326B2 (en) | 2021-12-21 |
| AU2018221428B2 (en) | 2023-03-16 |
| JP7212901B2 (ja) | 2023-01-26 |
| JP2020508471A (ja) | 2020-03-19 |
| WO2018150205A1 (en) | 2018-08-23 |
| CA3053715A1 (en) | 2018-08-23 |
| US20200003696A1 (en) | 2020-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| GR1009480B (el) | Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο | |
| Wangüemert-Pérez et al. | Subwavelength structures for silicon photonics biosensing | |
| US7212692B2 (en) | Multiple array surface plasmon resonance biosensor | |
| US8279445B2 (en) | Interferometer and sensor based on bimodal optical waveguides, and detection method | |
| US20090136190A1 (en) | Optical Device Comprising a Waveguide Structure | |
| Chatzianagnostou et al. | Scaling the sensitivity of integrated plasmo-photonic interferometric sensors | |
| Song et al. | A polymer waveguide grating sensor integrated with a thin-film photodetector | |
| Wang et al. | Multiplexing dual-parameter sensor using photonic crystal multimode nanobeam cavities | |
| Wong et al. | Multichannel long-range surface plasmon waveguides for parallel biosensing | |
| Mahani et al. | Design of an efficient Fabry-Perot biosensor using high-contrast slanted grating couplers on a dual-core single-mode optical fiber tip | |
| Huang et al. | Dual-parameter optical sensor with cascaded ring resonators for simultaneous refractive index and temperature sensing | |
| Dumais et al. | Microchannel-based refractive index sensors monolithically integrated with silica waveguides: structures and sensitivities | |
| Le | Realization of a Multichannel Chemical and BiologicalSensor Using 6x6 Multimode Interference Structures | |
| EA042978B1 (ru) | Интегрированный плазмонно-фотонный биосенсор и способ его использования | |
| WO2024165340A1 (en) | Multi-channel interferometric module, interferometry system, miniaturised chemical laboratory | |
| US20240094204A1 (en) | Photonic biosensors for multiplexed diagnostics and a method of use | |
| Le Trung | LeTrungThanh Optical Biosensors Based on Multimode Interference and Microring Resonator Structures | |
| El Shamy et al. | Compact Gas Sensor Using Silicon-on-Insulator Loop-Terminated Mach–Zehnder Interferometer. Photonics 2022, 9, 8 | |
| CA2696010A1 (en) | Interferometer and sensor based on bimodal optical waveguide and sensing method | |
| Taha | Design and Demonstration of Integrated Silicon Devices for Optical Sensing and Optical Communications | |
| Darwish et al. | Second order effects of aspect ratio variations in high sensitivity grating couplers | |
| Sahu | Investigation of Grating based Resonating Structures on SOI Platform for Photonic Biosensors... | |
| Koster | TE/TM based integrated optical sensing platforms | |
| Xu et al. | Silicon photonic wire devices for biosensing and communications | |
| Janz et al. | Silicon-based microphotonics for biosensing applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PG | Patent granted |
Effective date: 20190509 |