GR20160100477A - Ολοκληρωμενο ευρυζωνικο young συμβολομετρο για ταυτοχρονη βιοχημικη ανιχνευση διπλης πολωσης μεσω ενισχυμενης ολισθησης δεσμης κροσσων συμβολης - Google Patents

Abstract

Η φωτονική ψηφίδα ενσωματώνει ένα ή περισσότερα συμβολόμετρα Young που δέχονται ευρείας ζώνης φως στον κυματοδηγό εισόδου τους, ενώ οι κυματοδηγοί εξόδου συζευγνύουν το φως σε μία μόνο συστοιχία απεικόνισης είτε διαμέσου του αέρα είτε διαμέσου ενός κυματοδηγού πλάκας επί της ψηφίδας. Τα συμβολόμετρα παρεμβάλλονται μεταξύ των κυματοδηγών εισόδου και εξόδου. Το παράθυρο αίσθησης εκτίθεται στα διαλύματα του αναλυτή. Στο παράθυρο αυτό τα μόρια αναγνώρισης έχουν προηγουμένως ακινητοποιηθεί. Κατά την δέσμευση αναλυτή μία επίστρωση μεγαλώνει στο παράθυρο αίσθησης. Ανάλογα με την πόλωση του εκπεμπόμενου φωτός, η συμβολομετρία συμβαίνει σε συγκεκριμένες στερεές γωνίες έτσι ώστε δύο δέσμες ημιτονοειδών κροσσών να σχηματίζονται για τις πολώσεις: μία για την ΤΕ και μία για την ΤΜ πόλωση. Οι δύο διαφορετικές γωνίες προκαλούνται από την διαφορετική σχέση διασποράς της συνάρτησης φάσης ως προς τον κυματάριθμο για τις δύο πολώσεις. Με την ανάπτυξη των επιστρώσεων οι κροσσοί ολισθαίνουν σε κάθε δέσμηακολουθώντας την αλλαγή φάσης επί της ψηφίδας για κάθε πόλωση. Επιπρόσθετα της ολίσθησης των κροσσών και στην ίδια κατεύθυνση με αυτήν, η κάθε δέσμη ολισθαίνει ολόκληρη ως αποτέλεσμα των αλλαγών στηνσυνάρτηση της φάσης έναντι του κυματάριθμου λόγω της επίστρωσης. Στην πραγματικότητα, οι δέσμες μετακινούνται ταχύτερα από την αλλαγή φάσης επί της ψηφίδας δίνοντας ένα ενισχυμένο οπτικό σήμα. Η διάταξη ενσωματώνει την φωτονική ψηφίδα με το ευρείας ζώνης συμβολόμετρο Young και τους κυματοδηγούς εισόδου και εξόδου, τις εξωτερικές ή ολοκληρωμένες στην ψηφίδα ευρείας ζώνης πηγές φωτός, και έναν εξωτερικό ή ενσωματωμένο στην ψηφίδα πίνακα απεικόνισης. Μετασχηματισμοί Fourier και άλλες τεχνικές χρησιμοποιούνται για να υπολογίσουν την αλλαγή φάσης από την μετακίνηση των κροσσών και των δεσμών. Η κίνηση των δεσμών και οι αλλαγές της φάσης δίνουν ένα μέτρο της αύξησης της επίστρωσης λόγω των δεσμευτικών αντιδράσεων.

Description

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟ YOUNG ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟ ΓΙΑ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΔΙΠΛΗΣ ΠΟΛΩΣΗΣ ΜΕΣΩ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΗΣ ΟΛΙΣΘΗΣΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΚΡΟΣΣΩΝ ΣΥΜΒΟΛΗΣ

ΣΥΝΟΨΗ

Μία οπτική συσκευή βιοχημικής ανίχνευσης περιγράφεται βασισμένη σε ένα ολοκληρωμένο ευρυζωνικό συμβολόμετρο Young το οποίο προβάλει σε ένα πέτασμα απεικόνισης δύο ξεχωριστές δέσμες κροσσών συμβολής, μία για την πόλωση ΤΕ και μία άλλη για την πόλωση ΤΜ. Καθώς ένα επίστρωμα αυξάνεται στο βραχίονα αίσθησης, οι δέσμες κινούνται ταχύτερα από ότι η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο βραχιόνων επί της ψηφίδας, παρέχοντας, με αυτόν τον τρόπο ένα ενισχυμένο οπτικό σήμα σε ένα εύρος μηκών κύματος. Η συσκευή περιλαμβάνει ευρυζωνικές πηγές φωτός, εξωτερικές ή ολοκληρωμένες, την φωτονική ψηφίδα με το συμβολόμετρο Young, και ένα συστοιχία απεικόνισης. Η ολίσθηση των δεσμών των κροσσών συμβολής αποτελεί το μέτρο της αύξησης πάχους του βιομοριακού επιστρώματος.

ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΤΗΣ ΕΦΕΥΡΕΣΗΣ

Πεδίο της εφεύρεσης

Το πεδίο της εφεύρεσης είναι οι βιοαναλυτικοί προσδιορισμοί χωρίς επισήμανση μέσω σύμβολο μετρικών φωτονικών ψηφίδων. Οι φωτονικές ψηφίδες ενσωματώνουν

σύμβολο μετρικές διατάξεις βασισμένες σε κυματοδηγούς που έχουν εξειδικευτεί μέσω συγκεκριμένων ακινητοποιημένων μορίων ανίχνευσης. Κατά την αντίδραση με τα μόρια του αναλύτη, η αυξανόμενη επίστρωση μεταβάλλει το ενεργό μέσο που αισθάνονται οι κυματοδηγοί προκαλώντας συμβολογραμικές ολισθήσεις. Πιο συγκεκριμένα, συμβολομετρία Young ταυτόχρονης διπλής πόλωσης ολοκληρωμένη σε φωτονικές ψηφίδες καί ευρείας φασματικής περιοχής προτείνεται για πρώτη φορά σαν αναλυτικό εργαλείο. Η εφεύρεση περιγράφει μία φωτονική ψηφίδα που δέχεται φως ευρείας ζώνης στην είσοδο των συμβολόμετρων Young και προβάλλει το συμβολογραμμα σε ένα συστοιχία απεικόνισης. Συμβολομετρικοί κροσσοί εμφανίζονται κατά δέσμες σύμφωνα με την πόλωσή τους και μετατοπίζονται καθώς μεγαλώνει το επίπεδο επίστρωσης. Πηγές φωτός ολοκληρωμένες επί της ψηφίδας μαζί μέ κυματοδηγούς πλάκας προσδίδουν επιπλέον χαρακτηριστικά σμίκρυνσης καί ευρωστίας.

Προηγούμενη εμπειρία

 Οι συρρικνωμένες βιοαναλυτικές συσκευές είναι ζωτικής σημασίας για τις εφαρμογές στο «σημείο ανάγκης» όπως την εξατομικευμένη υγειονομική περίθαλψη και την ανίχνευση επικίνδυνων ουσιών στα τρόφιμα, το νερό και το περιβάλλον. Η οπτική ανίχνευση μας παρέχει υψηλή ευαισθησία συνδυασμένη με ένα μεγάλο δυναμικό εύρος και ανοχή σε παρασιτικά ρεύματα και ηλεκτρικές παρεμβολές. Αυτό είναι αποτέλεσμα της λειτουργίας σε οπτικές συχνότητες και τής γαλβανικής απομόνωσης του μετατροπέα από τα ηλεκτρονικά διέργεσης και ανίχνευσης. Αρκετές μέθοδοι οπτικές ανίχνευσης για την ανίχνευση συγκεκριμένων αναλυτών στο επίπεδο οπτικών μικροσυστημάτων έχουν εξερευνηθεί, όπως αισθητήρες συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων (SPR), οπτικοί κυματοδηγοί, ραβδωτοί ζεύκτες, συμβολόμετρα Mach-Zehnder, συντονιστές μικροδακτυλίων, συντονιστές καθρεπτών και ανακλαστική συμβολομετρική φασματοσκοπία (RIfS). Η συγκεκριμένη κατηγορία των συμβολομέτρων βασισμένων σε επίπεδους κυματοδηγούς είναι πολύ πιο ευαίσθητη σε σχέση με την οπτική ανοιχτού χώρου. Σε ένα ολοκληρωμένο συμβολόμετρο, τα φωτόνια στον αισθητήριο κυματοδηγό διερευνούν την βιομοριακή επίστρωση εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές σε σχέση με τις δύο φορές στην ανακλαστική συμβολομετρική φασματοσκοπία και SPR. Η αύξηση της ευαισθησίας και η ανοσία στις παρασιτικές επιδράσεις κάνουν τις συμβολομετρικές διατάξεις βασισμένες σε επίπεδους κυματοδηγούς ιδανικές για ελέγχους χωρίς επισήμανση. Όσον αφορά το φασματικό περιεχόμενο του φωτός, παραδοσιακά χρησιμοποιούνται μονοχρωματικές πηγές φωτός. Η μονοχρωματικότητα όμως, δεν είναι ένα προαπαιτούμενο της συμβολομετρίας. Ένα τυπικό παράδειγμα είναι αυτό της RIfS σε μία διάσταση [ Petrou, Ρ. S. et al. “Real-time label-free detection of complement activation products in human serum by white light reflectance spectroscopy " Biosens. Bioelectron. 24, 3359-3364 (2009)]. Παρομοίως, η ευρείας ζώνης συμβολομετρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε ολοκληρωμένες διατάξεις που στοχεύουν σε πολύ καλύτερη επίδοση από την RIfS. [Psarouli A. et al “Monolithically integrated broad-band Mach-Zehnder interferometers for highly sensitive label free detection of biomolecules through dual polarization optics” Sci. Rep. 5, 17600 (2015)].

 Η συμβολομετρία Young έχει παραγάγει πολύτιμα αποτελέσματα σε μετρήσεις δείκτη διάθλασης και βιομορίων. Εδώ, η συνήθης πρακτική είναι η χρήση μονοχρωματικού φωτός. Λίγες εξαιρέσεις περιλαμβάνουν δύο ή τρία διακριτά μήκη κύματος για να εμπλουτίσουν τα αποτελέσματα των μονοχρωματικών διατάξεων. [Mulder, H. Κ. Ρ.; Blum, C. Subramaniam, V., Kanger, J. “Sizeselective analyte detection with a 20 Young interferometer sensor using multiple wavelengths” S. Optics Express 24(8) 8594-8619 (2016), Saastamoinen, K., Tervo, J., Turunen, J., Vahimaa, P., Friberg, A. T “Spatial coherence measurement of polychromatic light with modified Young’s interferometer" Optics Express 21(4) 4061-4071 (2013)].

Περίληψη της εφεύρεσης και βασικά πλεονεκτήματα

 Η παρούσα εφεύρεση προτείνει στην συμβολομετρία Young με είσοδο συνεχές φώς ευρέας ζώνης. Σε διατάξεις μονοχρωματικού Young το σχέδιο των κροσσών είναι περιοδικό και έχει την ίδια φάση όπως και η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο βραχιόνων της ψηφίδας. Στην νέα διάταξη η ολοκλήρωση των φαινομένων συμβολής σε μία ευρεία και συνεχή φασματική περιοχή μας δίνει ένα δομημένο σχέδιο κροσσών όπου η συμβολή εμφανίζεται σε συγκεκριμένες γωνίες διακριτές για κάθε πόλωση. Με αυτόν τον τρόπο δύο δέσμες κροσσών εμφανίζονται στη συστοιχία απεικόνισης, μία για την ΤΕ και μία για την ΤΜ πόλωση. Η αποσυνέλιξη της πόλωσης, λοιπόν, γίνεται ευθέως χωρίς την χρήση πολωτών. Όπως αποδεικνύεται, αυτές οι δύο δέσμες κροσσών μετακινούνται ταχύτερα από την εξίσωση φάσης της ψηφίδας λόγω της πρόσθετης μετακίνησης της περιβάλουσας της δέσμης. Επισπρόσθετη καθοδήγηση των δεσμών των κροσσών μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας άνισα μήκη κυματοδηγών αίσθησης και αναφοράς. Ταυτόχρονα, η φάση του σήματος της ψηφίδας μπορεί να μετρηθεί σε μία ευρεία φασματική περιοχή για τις δύο πολώσεις. Τα παραπάνω μοναδικά χαρακτηριστικά του ευρείας ζώνης συμβολόμετρου Young είναι τα ανταγωνιστικά του πλεονεκτήματα έναντι του μονοχρωματικού του αντίστοιχου.

 ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ

 Σχέδιο 1. Η βασική διάταξη και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του συμβολόμετρου Young. Μετά την ένωση Υ, οι βραχίονες αίσθησης (1) και αναφοράς (2) ακολουθούν. Ο κατακόρυφος άξονας στα δεξιά είναι η συστοιχία απεικόνισης τοποθετημένη σε μία απόσταση Ζ από τις εκπέμπουσες άκρες των δύο βραχιώνων. Τα δύο άκρα διαχωρίζονται από μία απόσταση D και το παράθυρο αίσθησης έχει μήκος L. Κενό έχει υποθετηθεί μεταξύ του συμβολομέτρου και της συστοιχίας.

Σχέδιο 2. Διατομή του συμβολόμετρου Young στο παράθυρο αίσθησης (a) και στην άκρη εκπομπής (b,c). Οι κυματοδηγοί αίσθησης και αναφοράς φαίνονται σαν ανάγλυφοι στο παράθυρο αίσθησης και στην εκπέμπουσα άκρη στο (b). Η εκπέμπουσα άκρη στο (c) δείχνει κυματοδηγούς ταινίας. Ο πυρήνας του κυματοδηγού είναι σκιασμένος στα a,b,c. Επίσης φαίνεται το υπόστρωμα (3) και το επάνω στρώμα επένδυσης (4) και το κάτω στρώμα επένδυσης (5).

Σχέδιο 3. Κανονικοποιημένες δέσμες κροσσών για την ΤΕ (δεξιά) και την ΤΜ (αριστερά) πόλωση. Οι υποτιθέμενες γεωμετρικές παράμετροι ήταν Ζ= 3 cm, D=200 μm, L=1mm.

Σχέδιο 4. Συνατρήσεις φάσης, (Nr-Ns)kL, για την ΤΕ (κάτω καμπύλη) και την ΤΜ (πάνω καμπύλη). Η μέση τιμή της κλίσης της συνάρτησης φάσης για ΤΕ είναι 25X10<3>nm και για ΤΜ είναι 89X10<3>nm. Εδώ, L- 1 mm, οπότε, για κάθε μονάδα L η κλίση γίνεται α1=25Χ10<-3>and α2=89Χ10<-3>.

Σχέδιο 5. Οι δύο δέσμες πόλωσης του Σχ.3 μετά την εισαγωγή ένός επιπλέον μήκους δS=30 μm στο βραχίονα αίσθησης. Οι υπόλοιπες παράμετροι (L,D,Z) παρέμειναν ίδιες. Οι δύο δέσμες είναι τώρα συμμετρικά τοποθετημένες σε σχέση με τους βραχίονες.

Σχέδιο 6. Η προς τα δεξιά κίνηση της δέσμης κροσσών για την πόλωση ΤΕ ως αποτέλεσμα μίας επίστρωσης 5nm επί του παράθυρου αίσθησης. Η επίστρωση έχει δείκτη διάθλασης 1.45. Η διακεκομμένη γραμμή είναι το σχέδιο κροσσών πριν την επίστρωση των 5nm και η συνεχής γραμμή είναι το σχέδιο κροσσών μετά την αύξηση της επίστρωσης. Το 1=1 mm.

Σχέδιο 7. Μεγέθυνση κοντά στην αριστερή άκρη της δέσμης κροσσών για την πόλωση ΤΕ που δείχνει σε λεπτομέρεια την κίνηση των πακέτων στα δεξιά ως αποτέλεσμα της αύξησης της επίστρωσης των 5 nm με δείκτη διάθλασης 1.45. Όπως στο Σχ. 6, η διακεκομμένη γραμμή είναι το σχέδιο των κροσσών πριν την αύξηση των 5 nm της επίστρωσης και η συνεχής γραμμή το σχέδιο των κροσσών μετά την αύξηση της επίστρωσης. Εδώ ξανά, L = 1mm.

Σχέδιο 8. Η προς τα δεξιά κίνηση της δέσμης κροσσών για την πόλωση ΤΜ ως αποτέλεσμα της επίστρωσης των 5 nm επί του παράθυρου αίσθησης. Η επίστρωση έχει δείκτη διάθλασης 1.45. Η διακεκομμένη γραμμή είναι το σχέδιο των κροσσών πριν την αύξηση των 5 nm της επίστρωσης και η συνεχής γραμμή το σχέδιο των κροσσών μετά την επίστρωσης. Εδώ L = 1mm.

Σχέδιο 9. Μεγέθυνση κοντά στην αριστερή άκρη της δέσμης κροσσών για την ΤΜ πόλωση δείχνοντας σε λεπτομέρεια την κίνηση του πακέτου στα δεξιά ως αποτέλεσμα της επίστρωσης των 5 nm με δείκτη διάθλασης 1.45. Όπως στο Σχ. 8, η διακεκομμένη γραμμή είναι το σχέδιο των κροσσών πριν την επίστρωση των 5 nm και η συνεχής γραμμή είναι το σχέδιο των κροσσών μετά την επίστρωση. Εδώ ξανά, L = 1mm.

Σχέδιο 10. Η απόλυτη τιμή της αλλαγής στη συνάρτηση φάσης για την πόλωση ΤΕ και την ΤΜ ως αποτέλεσμα της επίστρωσης των 5nm με δείκτη διάθλασης 1.45. Η επίστρωση και οι συμβολομετρικές οπτικές και γεωμετρικές παράμετροι είναι όπως στο Σχ. 6. To Coshift, από την Εξ. (8), είναι 11.23 rads και 14.37 rads για την πόλωση ΤΕ και ΤΜ αντίστοιχα. Γιά την Enshift από την Εξ. (9), οι τιμές είναι 13.97 rads και 42 rads για την πόλωση ΤΕ και ΤΜ, αντίστοιχα.

Σχέδιο 11. Οι δύο δέσμες πόλωσης για την ίδια γεωμετρία του κυματοδηγού όπως στο Σχ. 5 αλλά με την συμβολή να συμβαίνει στο τέλος ενός κυματοδηγού πλάκας επί της ψηφίδας όπου και τερματίζονται οι δύο κυματοδηγού εξόδου. Το μήκος του κυματοδηγού πλάκας είναι 3 cm.

Σχέδιο 12. Παράδειγμα μίας μονολιθικά ολοκληρωμένης πηγής φωτός ευρείας ζώνης συζευγμένης με ένα συμβολόμετρο Young . Η ευρείας ζώνης πηγή φωτός είναι μία Ρ<++>N<+>δίοδος πυριτίου τύπου χιονοστιβάδας, πολωμένη πέραν της περιοχής κατάρρευσης. Η εκπέμπουσα ένωση είναι αυτοευθυγραμμισμένη στο προς το ανοδικό τμήμα του κυματοδηγού νιτρίδιου του πυριτίου. Εμφανίζονται ο βραχίονας αίσθησης (1), το βραχίονας αναφοράς (2), το υπόστρωμα πυριτίου (3), το πάνω στρώμα επένδυσης (4) και το κάτω στρώμα επένδυσης (5). Οι κυματοδηγοί εξόδου καταλήγουν στην άκρη της ψηφίδας. Ένας φακός εκτός της ψηφίδας συγκεντρώνει την ακτίνα στην κάθετη διεύθυνση και μία εξωτερική συστοιχία απεικόνισης καταγράφει τις χωρικά διάκριτές δέσμες των κροσσών ΤΕ και ΤΜ.

Σχέδιο 13. Παράδειγμα μίας μονολιθικά ολοκληρωμένης πηγής φωτός ευρείας ζώνης συζευγμένης με ένα συμβολόμετρο Young. Η ευρείας ζώνης πηγή φωτός είναι μία Ρ<++>N<+>δίοδος πυριτίου τύπου χιονοστιβάδας,, όπως στο Σχ. 12. Φαίνονται ο βραχίονας αίσθησης άκρο (1), ο βραχίονας αναφοράς (2), το υπόστρωμα πυριτίου (3), το πάνω στρώμα επένδυσης (4) και το κάτω στρώμα επένδυσης (5). Οι κυματοδηγοί εξόδου καταλήγουν στον επί της ψηφίδας κυματοδηγό πλάκας. Η συμβολομετρία συμβαίνει στην ακμή της ψηφίδας/πλάκας. Μία εξωτερική συστοιχία απεικόνισης κοντά στην ακμή της ψηφίδας καταγράφει τις χωρικά διάκριτές δέσμες κροσσών ΤΕ και ΤΜ.

Σχέδιο 14. Το συμβολόμετρο Young με τις διάφορες διατάξεις κυματοδηγών. Τα μαύρα τμήματα είναι κυματοδηγοί ταινίας ενώ τα λευκά είναι μονορυθμικοί ανάγλυφοι κυματοδηγοί. Οι κωνικοί σύνδεσμοι στα σημεία μετάβασης από ταινία-πλάκα και πλάκα-ταινία είναι απαραίτητοι για να συμπιέσουν τις απώλειες σύζευξης. Άλλος ένας κωνικός σύνδεσμος στο τέλος μετατρέπει το πλάτος του κυματοδηγού ταινίας σε υπομικρονικά μεγέθη για να αυξήσει το αριθμητικό άνοιγμα του κυματοδηγού. Η συστοιχία απεικόνισης (δεν φαίνεται) θεωρούμε ότι είναι σε μία απόσταση Ζ από την άκρη του κυματοδηγό εξόδου.

ΛΕΠΤΟΜΕΡΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΦΕΥΡΕΣΗΣ

Ορισμοί

Φωτονική Ψηφίδα: Μία στοίβα επιπέδων διηλεκτρικών φύλλων σε κατάλληλα υποστρώματα που αποτελείται από διηλεκτρικό στρώμα κάτω-επένδυσης, στρώμα επάνω-επένδυσης και το στρώμα πυρήνα. Το στρώμα πυρήνα που βρίσκεται μεταξύ των στρωμάτων της κάτω και της επάνω επένδυσης, είναι μορφοποιημένος έτσι ώστε οι ολοκληρωμένοι κυματοδηγοί να σχηματίζουν μία οπτική διάταξη αποτελούμενη από κυματοδηγούς εισόδου, κυματοδηγούς εξόδου και το συμβολόμετρο ανάμεσα τους.Τα στρώματα της επάνω και της κάτω επένδυσης είναι αρκετά παχιά ώστε να απομονώνουν τον πυρήνα από το υπόστρωμα και κάθε υλικό το οποίο έρχεται σε επαφή με την επάνω επένδυση.Ο πυρήνας του κυματοδηγού είναι κατασκευασμένος από υλικό υψηλότερου δείκτη διάθλασης σε σχέση με τα κάτω και επάνω διηλεκτρικά στρώματα επένδυσης.Ο πυρήνας αλληλοεπιδρά με το περιβάλλον μόνο σε επιλεγμένες περιοχές στις οποίες η επάνω επένδυση έχει αφαιρεθεί. Μία τυπική επιλογή υλικού είναι το διοξείδιο του πυριτίου για το επάνω και κάτω στρώμα επένδυσης και νιτρίδιο του πυριτίου ή οξυνιτρίδιο πυριτίου για τον πυρήνα.Το υπόστρωμα επιλέγεται να είναι αδιαφανές και μπορεί να είναι μονωτής ή ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο, ή μέταλλο. Η φωτονική ψηφίδα σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να αναβαθμιστεί με την επί της ψηφίδας ενσωμάτωση των πηγών του φωτός και/ή ανιχνευτών.

Πηγή φωτός: Μία ευρείας ζώνης πηγή φωτός είτε εκτός της ψηφίδας είτε ολοκληρωμένη στην ψηφίδα που τροφοδοτεί φως ΤΕ και ΤΜ στους κυματοδηγούς εισόδου

Κυματοδηγός εισόδου: Το τμήμα του ολοκληρωμένου κυματοδηγού που παραλαμβάνει ευρείας ζώνης φως αμφοτέρου πόλωσης ΤΕ και ΤΜ είτε από μία εξωτερική πηγή ευρείας ζώνης είτε από μία ολοκληρωμένη επί της ψηφίδας πηγή φωτός ευρείας ζώνης.

Συμβολόμετρο Young: Μία δομή επίπεδων κυματοδηγών που είναι συνέχεια του κυματοδηγού εισόδου και όπου ο μονός κυματοδηγός χωρίζεται σε δύο βραχίονες μέσω μίας διακλάδωσης τύπου Υ. Το ένα άκρο, το αισθητήριο, έχει ένα εκτεθειμένο παράθυρο αίσθησης που έχει ένα ενεργό δείκτη διάθλασης Nsκαι ένα μήκος L. Το παράθυρο αίσθησης του βραχίονα αίσθησης ενεργοποιείται με ένα μόριο αναγνώρισης ή μόριο ανιχνευτή, ενώ το υπόλοιπο του αισθητήριου άκρου είναι βυθισμένο κάτω από το επάνω στρώμα επένδυσης. Ο άλλος βραχίονας, ο βραχίονας αναφοράς, έχει έναν ενεργό δείκτη διάθλασης Nrκαι είναι συνήθως βυθισμένος κάτω από το επάνω στρώμα επένδυσης. Το φως στούς δύο βραχίονες αισθάνεται διαφορετικά μέσα το οποίο οδηγεί σε διαφορά φάσης στο τέλος των δύο βραχιόνων.

Κυματοδηγοί εξόδου: Τα δύο ολοκληρωμένα τμήματα των κυματοδηγών που είναι συνέχεια των βραχιόνων αίσθησης και αναφοράς μετά το παράθυρο αίσθησης.Οι κυματοδηγοί εξόδου ακτινοβολούν το κυματοδηγούμενο φως στις εκπέμπουσες άκρες τους και η συμβολή συμβαίνει σε συγκεκριμένες γωνίες ανάλογα από την εξάρτηση της συνάρτησης φάσης από τον κυματάριθμο.Οι κυματοδηγοί εξόδου καταλήγουν είτε στην άκρη της φωτονικής ψηφίδας και ακτινοβολούν σε μία προσκείμενη συστοιχία απεικόνισης ή σε ένα κυματοδηγό πλάκας το τέλος του οποίου είναι ευθέως συζευγμένο με μία συστοιχία απεικόνισης.

Συνάρτηση φάσης: Η διαφορά φάσης των θεμελιωδών ηλεκτρομαγνητικών ρυθμών που διέρχονται από τους βραχίονες αίσθησης και αναφοράς ως συνάρτηση του κυματάριθμου.

Συμβολόμετρο Young Ευρείας ζώνης: Ένα συμβολόμετρο Young του οποίου ο κυματοδηγός εισόδου είναι ικανός να δεχθεί φώς ευρείας ζώνης και των δύο πόλωσεων. Οι βραχίονες αναφοράς και αίσθησης του είναι κατάλληλα κατασκευασμένοι έτσι ώστε οι συναρτήσεις φάσης ΤΕ και ΤΜ να έχουν διακριτά διαφορετική εξάρτηση από τον κυματάριθμο ώστε η συμβολή για τις δέσμες κροσσών ΤΕ και ΤΜ να συμβαίνει σε διαφορετικές και όχι αλληλοκαλυπτόμενες γωνίες. Οι κυματοδηγοί εξόδου του καταλήγουν με κατάλληλα μήκη και αποστάσεις στις εκπέμπουσες άκρες ώστε οι δέσμες κροσσών συμβολής ΤΕ και ΤΜ να είναι εντός της γωνίας απόκλισης της ακτίνας των κυματοδηγών εξόδου.

Συστοιχία συμβολόμετρων Young ευρείας ζώνης: Ένα ή περισσότερα συμβολόμετρων Young ευρείας ζώνης στην ίδια φωτονική ψηφίδα με όλους του κυματοδηγούς εισόδου στην μία πλευρά και όλους του κυματοδηγούς εξόδου σε άλλη.

Συστοιχία απεικόνισης: Μία ψηφιακή καταγραφική διάταξη της συνολικής έντασης του φωτός στο χώρο είτε σε μορφή συστοιχίας CCD ή συστοιχία εικονοστοιχείων CMOS.

Παράθυρο αίσθησης: Το εκτεθειμένο τμήμα του βραχίονα αίσθησης που έρχεται σε επαφή με το δείγμα ή τα αντιδραστήρια και ενεργοποιείται ακινητοποιώντας τα μόρια αναγνώρισης.

Μόρια Αναγνώρισης: Τα μόρια που είναι επικαλυμμένα στο παράθυρο αίσθησης. Αυτά μπορούν να είναι πρωτεΐνες, ορμόνες, τμήματα DNA, ή άλλα είδη μορίων που ειδικά αντιδρούν με ένα αντίστοιχο μόριο ενδιαφέροντος.

Φωτονική βιοψηφίδα. Μία φωτονική ψηφίδα με ένα ή περισσότερα συμβολόμετρα και παράθυρα αίσθησης όπου ένα ή περισσότερα μόρια ανίχνευσης έχουν ακινητοποιηθεί.

Μόριο Αναλύτη: Ένα μόριο αναλυτικού ενδιαφέροντος που θα αντιδράσει ειδικά με το μόριο ανίχνευσης που είναι ακινητοποιημένο σε ένα από τα παράθυρα αίσθησης της φωτονικής βιοψηφίδας.

Βασικές εξισώσεις

Για να καταλήξουμε σε μία προσεγγιστική αναλυτική έκφραση για το συμβολόμετρο Young ευρείας ζώνης, ξεκινάμε με την πρότυπη εξίσωση για το κλασσικό μονοχρωματικό συμβολόμετρο Young που φαίνεται στο Σχ 1, σαν κάτοψη και στο Σχ. 2 σαν διατομή. Η ροή των φωτονίων που καταγράφεται σε κάθε σημείο x μίας συστοιχίας απεικόνισης που βρίσκεται σε μία απόσταση Ζ από της εκπέμπουσες άκρες των κυματοδηγών και οι οποίες απέχουν μία απόσταση D η μία από την άλλη, δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

   Ι(λ) = Ι1+ I2+ 2√Ι1Ι2cos[ Dk/Z x+φ(k)] (Εξ. 1)

όπου Ι1, Ι2είναι οι ροές των φωτονίων από το άκρα των κυματοδηγών αίσθησης και αναφοράς, αντίστοιχα, k είναι ο κυματάριθμος στο κενό, k=2π/λ, και φ(k) είναι η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο κυματοδηγών. Αυτή η διαφορά φάσης είναι μία συνάρτηση του κυματάριθμου και θα την αποκαλούμε συνάρτηση φάσης. Στην επάνω εξίσωση ο όρος του συνημίτονου υποδηλώνει ότι το μονοχρωματικό συμβολόμετρο έχει περίοδο 2 πZ/(Dk).

Στην περίπτωση της Συμβολομετρίας Young ευρείας ζώνης, ποικίλα φωτόνια με κυματάριθμους από k1μέχρι k2συμβάλλουν ταυτόχρονα. Οι κυματάριθμοι k1και k2αντιστοιχούν στα επάνω και κάτω μήκη κύματος, λ2και λ1, του κυματοδηγούμενου φάσματος, αντίστοιχα. Η συνολική ροή φωτονίων που μετριούνται στο σημείο x της οθόνης απεικόνισης συμπεριλαμβανομένων όλων των μηκών κύματος είναι το ολοκλήρωμα των διαφόρων φωτονικών ροών. Υποθέτοντας τις ροές σταθερές ως προς τον κυματάριθμο μεταξύ k1και k2, λαμβάνουμε για την συνολική ροή φωτονίων, S(x)

                                                              K

 Για να ολοκληρώσουμε την τελευταία έκφραση σε κλειστή μορφή και προς χάριν απλοποίησης θα θεωρήσουμε οτι η συνάρτηση φάσης φ(k) είναι γραμμική σε σχέση με τον κυματάριθμο k:

 όπου Nrκαι Nsείναι οι ισοδύναμοι δείκτες διάθλασης των κυματοδηγών αναφοράς και αίσθησης, αντίστοιχα, και L είναι το μήκος του παράθυρου αίσθησης. Η υπόθεση της γραμμικότητας αργότερα θα χαλαρώσει. Στην Εξ (3) τα αiκαι φ0iείναι η κλίση και η τομή του άξονα k της συνάρτησης φάσης ανά μονάδα L. Ο δείκτης i = 1,2 προσδιορίζει την πόλωση, 1 για ΤΕ και 2 για ΤΜ. Με δεδομένη την γραμμική υπόθεση, το ολοκλήρωμα του S(x) μπορεί να εκφραστεί με αναλυτικούς όρους ως Sl(x) από την εξίσωση:

 όπου ο όρος του συνημίτονου έχει περίοδο ίση με 4πΖ/[D(k1+k2) ] and Εni (x) είναι η περιβάλουσα συνάρτηση του συνημιτονοειδούς όρου στην προηγούμενη εξίσωση:

 Δέσμες πόλωσης

 Συγκρίνοντας την πρώτη έκφραση για την Ι(λ) ( μονοχρωματικό Young συμβολόμετρο ) με τις τελευταίες δύο εξισώσεις για την Sl(x) ( ευρείας ζώνης συμβολόμετρο Young ) αντιλαμβανόμαστε ότι οι συνημιτονοειδείς όροι είναι αρκετά παρόμοιοι με τον κυματάριθμο k και τον όρο της διαφοράς φάσης φ να αντικαθιστούνται από τις μέσες τιμές για τον κυματάριθμο, (k1+k2)/2, και επίσης για την φάση: ((φ0i+ai(k1+k2)/2)L. Αυτό που είναι τελείως διαφορετικό όμως είναι η περιβάλουσα συνάρτηση, Εn(x) ως αποτέλεσμα της ευρυζωνικής φύσης της της συμβολής.

 Η εξίσωση envelope είναι της μορφής sinx/x και επικεντρώνεται γύρω από το σημείο -aiLZ/D. Οπότε, κάθε πόλωση φαίνεται σαν μία δέσμη επικεντρωμένη γύρω από μία γωνία -aiL D με αναφορά τον άξονα συμετρίας μεταξύ των δύο κυματοδηγών στην εκπέμπουδα άκρη. Θεωρούμε ότι η απόλυτη τιμή του -aiL D είναι κατά πολύ μικρότερη του 1. Εδώ αναφέρεται ότι αiL είναι η κλίση της συνάρτησης φάσης ως προς το k. Ο κύριος λοβός της συνάρτησης Εη,(χ) επεκτείνεται ±2πΖ /[(k2-k1)D] γύρω από το μέγιστο, ή μεταξύ των γωνίων ±2π/[(k2-k1)D] ως προς τη γωνία μεγίστου, υποθέτοντας 2π/[(k2-k1)D]«1. Με την κατάλληλη επιλογή των κλίσεων aiκαι των παραμέτρων L και D, μπορούμε να κάνουμε τον διαχωρισμό των δύο δεσμών πόλωσης το ισοδύναμο αρκετών πλευρικών λοβών ώστε τα δύο πακέτα να είναι σαφώς διαχωρισμένα μεταξύ τους.

 Καθοδήγηση δεσμών.

 Επιπροσθέτως του διαχωρισμού των πολώσεων, οι δύο δέσμες κροσσών συμβολής μπορούν να καθοδηγηθούν έτσι ώστε να είναι τοποθετημένες συμμετρικά σε σχέση με την αρχή των αξόνων (x=0), ενώ ταυτόχρονα να κρατούν τον διαχωρισμό τους. Με αυτόν τον τρόπο τοποθετούνται εντός της γωνίας απόκλισης των ακτινών όπως ορίζεται από το αριθμητικό άνοιγμα των κυματοδηγών στο οριζόντιο επίπεδο. Αυτό γίνεται εισάγοντας άνισα μήκη στους κυματοδηγούς αναφοράς και αίσθησης μακριά από το παράθυρο αίσθησης. Διαλέγοντας το μήκος του κυματοδηγού αναφοράς να είναι μικρότερο από του αισθητήριου κατά δS, και κρατώντας το ίδιο μήκος L στο πατάθυρο αίσθησης, η συνάρτηση φάσης γίνεται:

Δεδομένου οτι Νrείναι μία αργά μεταβαλλόμενη συνάρτηση του k, η συνάρτηση φάσης παίρνει άλλη κλίση: aiL-δSNrαντί για aiL. Συνεπώς, η καθοδήγηση των δεσμών είναι εφικτή κατά μία απόσταση δSNrZ/D και οι νέες δέσμες πόλωσης είναι κεντραρισμένες σε γωνίες -aiL/D+ δSNr/D. Το μέγεθος αυτών των γωνίων μπορεί να γίνει μικρότερο από το αριθμητικό άνοιγμα των κυματοδηγών εξόδου NAowgεπιλέγοντας κατάλληλα τα δS, L and D, έτσι ώστε οι δύο δέσμες να εκπέμπονται εντός της γωνίας απόκλισης ακτινών του κυματοδηγού. Σε πιο αναλυτικούς όρους:

Για με μια δεδομένη γεωμετρία κυματοδηγού, που καθορίζει τα α, και NAowg, και για ένα δεδομένο μήκος L παράθυρου αίσθησης, που καθορίζει την ευαισθησία, τα dS και D μπορούν να επιλεγούν να πληρούν δύο κριτήρια: Πρώτον, να ικανοποιήσουν την παραπάνω ανισότητα, και, δεύτερον, για να καταστήσουν το συμβολόγραμμα αναγνώσιμο εξασφαλίζοντας ότι η περίοδος, 4πZ/[D(k1+k2)], είναι πολύ πάνω από την ανάλυση της διάταξης απεικόνισης.

Συνάρτηση φάσης και ευαισθησία ολίσθησης κροσσών

          Η επίδραση της αύξησης της επίστρωσης στην περιβάλουσα συνάρτηση και την ολίσθηση των κροσσών προέρχεται από την επιρροή της στην κλίση της συνάρτησης φάσης, aiL. Μια επίστρωση του πάχους d που σχηματίζεται στο βραχίονα αίσθησης αλλάζει την συνάρτηση φάσης κατά δφ(k). Με την προϋπόθεση γραμμικότητας και πάλι,

όπου φ0idκαι aidεκφράζουν την ευαισθησία του ισοδύναμου δείκτη διάθλασης του βραχίονα αίσθησης στην επίστρωση. Με αντικατάσταση στην έκφραση για την Sl(x), Εξ. (4), της νέας συνάρτησης φάσης λαμβάνουμε μια συνολική μετατόπιση του σχήματος κροσσών που αποτελείται από δύο όρους: Την ολίσθηση συνημίτονου, Coshift, και την ολίσθηση της περιβάλουσας, Enshift. Εκφρασμένες σε όρους γωνίας, όπου μια ολίσθηση κατά ένα κροσσό ισούται με 2π, οι όροι αυτοί λαμβάνουν τη μορφή:

 Η πρώτη ποσότητα είναι πανομοιότυπη με το μέσο όρο της αλλαγής φάσης επί της ψηφίδας, δφ, λόγω της επίστρωσης. Το αρνητικό πρόσημο σε κάθε όρο προέρχεται από το γεγονός ότι η απόλυτη τιμή της συνάρτησης φάσης μειώνεται με την αύξηση τους ενεργού δείκτη του εκτεθειμένου αισθητήριου βραχίονα. Αποδεικνύεται ότι η ολίσθηση περιβάλουσας μπορεί να είναι αρκετές φορές η ολίσθηση του συνημίτονου, διότι οι όροι φ0idκαι aid(k1+k2) έχουν διαφορετικά πρόσημα, ενώ είναι συγκρίσιμα σε μέγεθος.

Με την εφαρμογή μετασχηματισμού Fourier στη συνάρτηση στη δεξιά πλευρά της έκφρασης για SI(x), Εξ. (4), λαμβάνουμε ένα πεπερασμένο και σταθερό μέγεθος από k1D/Z εώς k2D/Z, ενώ μηδέν οπουδήποτε αλλού. Στην περιοχή του μετασχηματισμού Fourier η μεταβλητή είναι k’=kD/Z και η φάση αλλάζει γραμμικά από (φ0i+ aik1)L στο k<,>=k1D/Z σε (φ0i+ aik2)L στο k<’>’=k2D/Z. Η μέση τιμή της ολίσθησης φάσης, λόγω της επίστρωσης όπως υπολογίζεται μέσω μετασχηματισμού Fourier είναι ο όρος Coshift, Εξ. (8). Μία προφανής ολική ολίσθηση επιτυγχάνεται αν η ολίσθηση περιβάλουσας, Enshift, προστεθεί. Αυτή η ολίσθηση μπορεί να υπολογιστεί αφόσον η περιβάλουσα συνάρτηση αποσυνελιχθεί από το σχέδιο κροσσών μέσω αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος, συμπεριλαμβανομένων των τεχνικών μετατόπισης συχνότητας. Ως εκ τούτου, αθροίζοντας τα Coshift και Enshift ένας ενισχυτικός παράγοντας, SA, σε σχέση με το δφ επιτυγχάνεται:

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

Δυο διακριτές δέσμες πόλωσης

Γ ια να ελέγξουμε την εγκυρότητα των δύο διακριτά πολωμένων δεσμών σε πραγματικές διατάξεις και αφού χαλαρώσουμε την υπόθεση γραμμικότητας φάσης, χρησιμοποιήσαμε αριθμητικές προσομοιώσεις για τη συνάρτηση φάσης σε διατάξεις με ρεαλιστικές γεωμετρικές και οπτικές παραμέτρους. Η συνάρτηση φάσης (p(k) υπολογίστηκε αριθμητικά ως (Nr-Ns)kL. Οι ισοδύναμοι δείκτες Nr, Nsγια τούς θεμελιώδεις ρυθμούς ελήφθησαν μέσω προσομοιώσεων ρυθμών με το πακέτο λογισμικού FemSIM (Synopsys) για τις χρησιμοποιούμενες γεωμετρίες κυματοδηγών και τους τυποποιημένους δείκτες διάθλασης των υλικών για τον πυρήνα του νιτρίδιου, τα στρώματα επενδύσεων από οξείδιο και ρυθμιστικά διαλύματα. Εδώ, κάναμε χρήση μόνο της βασικής εξίσωσης συμβολής και αριθμητικά υπολογίσαμε το ολοκλήρωμα της S(x) όπως στην Εξ. (2). Το ολοκλήρωμα εκτεινόταν από 650 nm (2π/k2) έως 850 nm (2π/k1). Τα αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάζουν μοτίβα με διακριτά πολωμένες δέσμες όπως φαίνεται στο Σχ. 3. Οι υποθέσεις για τις γεωμετρικές παράμετρους ήταν Ζ= 3 cm, D = 200 pm, L = 1 mm. Ο βραχίονας αναφοράς έχει διοξείδιο του πυριτίου ως πάνω και κάτω στρωματική επένδυση, ενώ το παράθυρο αίσθησης έχει ως επάνω στρώμα επένδυσης ρυθμιστικό διαλύμα και διοξείδιο του πυριτίου ως κάτω στώμα επένδυσης. Οι κυματοδηγοί ήταν νιτρίδιου του πυριτίου μονότροποι ανάγλυφοι κυματοδηγοί με πλάτος 1 pm, ένα βάθος χάραξης 6 nm και πάχος 135 nm για τον βραχίονα αίσθησης και 150 nm για το υπόλοιπο των κυματοδηγών συμπεριλαμβανομένου του κυματοδηγού αναφοράς. Η διαφορά μεταξύ των δύο παχών είναι επιθυμητή ώστε οι συναρτήσεις φάσης να έχουν σαφώς διακριτά διαφορετικές κλίσεις α1και α2(Σχ. 4) για έναν σαφή διαχωρισμό των δεσμών πόλωσης. Η απόσταση μεταξύ των δύο δεσμών οφείλεται στον συντελεστή κλίσης α που είναι πολύ υψηλότερος για ΤΜ («2=89X10<-3>) από ό,τι για ΤΕ (α1 =25X10<-3>), Σχ. 4. Η θέση του κέντρου του πακέτου υπακούει τον νόμο -aiLZ/D. Για L = 1.000 μm, Ζ = 30000 μm (3 cm) και D = 200 μm, οι δύο θέσεις είναι 3750 μm (ΤΕ) και 13300 μm (ΤΜ), σε συμφωνία με το Σχ. 3. Η περίοδος της ταλάντωσης κροσσών είναι 112 μm, σε συμφωνία με τον όρο 4πZ/[D(k1+k2] που προέρχεται από την έκφραση για την Sl(x), Εξ. (4). Όσον αφορά το πλάτος της περιβάλουσας, οι αριθμητικά προσομοιωμένες δέσμες είναι ευρύτερες από το διπλάσιο της έκφρασης 2πZ/[(k2-k1)D], που ελήφθη με την παραδοχή της συνάρτησης γραμμικής φάσης. Αυτό είναι αποτέλεσμα των αποκλίσεων των συναρτήσεων φάσης από την αυστηρή συνθήκη γραμμικότητας. Η συγκεκριμένη επιλογή για το πάχος κυματοδηγού (135 nm βραχίονας αίσθησης, 150 nm βραχίονας αναφοράς) ήταν μόνο ένα παράδειγμα και δεν είναι μοναδικό για να έχουμε διάκριση δεσμών πόλωσης. Διαφορετικοί βαθμοί λέπτυνσης μπορούν επίσης να λειτουργήσουν, καθώς και λεπτότεροι κυματοδηγοί για κάθε βραχίονα.

Καθοδήγηση δεσμών σε συμμετρική θέση

         Το μεσαίο σημείο μεταξύ των δύο δεσμών πόλωσης στο Σχ. 3 ήταν περίπου 8500 μm αριστερά του σημείου x = 0. Με βάση τη συζήτηση για την καθοδήγηση των δεσμών, η εισαγωγή ενός κυματοδηγού αναφοράς μικρότερου κατά δS=8.5(D/Ζ)(1/Nr) σε σύγκριση με τον κυματοδηγό αίσθησης θα πρέπει να φέρει τα δύο πακέτα συμμετρικά ως προς το σημείο x=0. Το μήκος δS υπολογίζεται σε περίπου 30 μm, χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους που παρουσιάζονται στην προηγούμενη ενότητα και όντως φέρνει τα δύο πακέτα συμμετρικά κατά μήκος του x = 0 σημείου, όπως επαληθεύεται στο Σχ. 5. Η εισαγωγή των άνισων βραχιόνων σε καμία περίπτωση δεν σημαίνει ότι θα πρέπει να επανασχεδιαστούν τα ευθύγραμμα τμήματα των κυματοδηγών αίσθησης και αναφοράς στην περιοχή παραθύρου αίσθησης. Μακριά από το εκτεθειμένο παράθυρο αίσθησης, ένα επιπλέον μήκος της τάξεως των μερικών δεκάδων του μικρομέτρου μπορεί να εισαχθεί στον κυματοδηγό αίσθησης με διάφορους τρόπους, για παράδειγμα με την αύξηση της ακτίνας καμπυλότητας του βραχίονα στη διασταύρωση Υ.

Επιταχυνόμενη ολίσθηση δεσμών κροσσών

Για να επιδείξουμε την επιταχυνόμενη μετατόπιση δεσμών κροσσών ως αποτέλεσμα της επίστρωσης υπολογίσαμε την αλλαγή της συνάρτησης φάσης, δφ(k), όπως επίσης και την πραγματική μετατόπιση δεσμών κροσσών κατόπιν ανάπτυξης επίστρωσης και για τις ίδιες παραμέτρους κυματοδηγού και γεωμετρίες συμβολής όπως στο Σχ. 5. Και πάλι ο κυματοδηγός αναφοράς ήταν 30 μm βραχύτερος από τον κυματοδηγό αίσθησης για να κεντράρονται οι δέσμες κροσσών. Η επίστρωση ήταν ένα βιομοριακό φιλμ με ένα οπτικό πάχος 5 nm και δείκτη διάθλασης 1.45. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα Σχ.6-9 . Ολόκληρες οι δέσμες ΤΕ και ΤΜ φαίνονται στα Σχ. 6 και 8, αντίστοιχα, ενώ τα Σχ. 7 και 9 δείχνουν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια τις μετατοπίσεις των άκρων των δεσμών για ΤΕ και ΤΜ, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τις Εξ.8 και Εξ.9, η επίστρωση μετατοπίζει τα δύο πακέτα προς τα δεξιά κατά ένα αριθμό περιόδων ίσο με Enshift / 2π. Λαμβάνοντας υπόψη τις κλίσεις των συναρτήσεων φάσης από το Σχ. 10, μέσω των Εξ.8 και Εξ.9, ο λόγος Enshift / 2π είναι 2.22 περίοδοι για ΤΕ και 6.68 περίοδοι για ΤΜ. Αυτές οι τιμές είναι σε συμφωνία με τα Σχ. 6-9. Αυτό σε αντιπαράθεση με την ολίσθηση κροσσών Coshift / 2π με τιμές 1.79 περιόδους για ΤΕ και 2.28 περιόδους για ΤΜ. Οι σχετικοί παράγοντες ενίσχυσης, SA, είναι 2.2 και 3.9 για την ΤΕ και ΤΜ, αντίστοιχα.

Η έννοια των συμβολόμετρων Young ευρείας ζώνης που παρουσιάστηκε μέχρι στιγμής ισχύει και σε περιπτώσεις με συμβολή επί της ψηφίδας στην ελεύθερη περιοχή διάδοσης (κυματοδηγός πλάκας). Εδώ οι κυματοδηγοί εξόδου τερματίζουν στην έναρξη του επί της ψηφίδας κυματοδηγού πλάκας που χρησιμεύει ως μέσο συμβολής, ενώ το άλλο άκρο του είναι απευθείας συζευγμένο σε μία συστοιχία απεικόνισης. Στην έκφραση για το S(x), η Εξ. (2), ο κυματάριθμος κενού στον όρο συνημίτονου πολλαπλασιάζεται τώρα με το ενεργό δείκτη του κυματοδηγού πλάκας. Παρομοία, αν και στενώτερα, είναι οι κροσσοί που παράγονται και οι δύο δέσμες πόλωσης εξακολουθούν να χωρίζονται με μικρότερες γωνίες. Τέτοιοι κροσσοί συμβολής και τα αντίστοιχες δέσμες πόλωσης φαίνονται στο Σχ. 11 με την ίδια γεωμετρία κυματοδηγών και βραχιόνων και τις ίδιες αποστάσεις μεταξύ βραχιόνων και διάταξης απεικόνισης όπως στο Σχ. 5.

Μονολιθικά ολοκληρωμένα LED και συμβολή στον αέρα.

Ένα παράδειγμα ενός ευρείας ζώνης συμβολόμετρο Young συζευγμένο με μονολιθικά ολοκληρωμένη πηγή φωτός ευρείας ζώνης δίνεται στο Σχ. 12. Εδώ, οι κυματοδηγοί εξόδου τερματίζουν στην άκρη της ψηφίδας. Η πηγή φωτός είναι μια διόδος χιονοστιβάδος τύπου Ρ<++>N<+>που εκπέμπει φως ευρείας ζώνης, όταν πολωθεί πέρα από την τάση διάσπασης του. Το προς τα πάνω τμήμα του κυματοδηγού νιτριδίου του πυριτίου χρησιμεύει ως κυματοδηγός εισόδου και είναι αυτο-ευθυγραμμισμένο με την μεταλλουργική ένωση έτσι ώστε υψηλής απόδοσης σύζευξη επιτυγχάνεται μεταξύ του κυματοδηγού εισόδου και τη δίοδο χιονοστιβάδας LED [Psarouli A. et al. “Monolithically integrated broad-band Mach-Zehnder interferometers for highly sensitive label free detection of biomolecules through dual polarization optics ” Sci. Rep. 5, 17600 (2015)]. Και οι δύο ρυθμοί TE και TM διεγείρονται στον κυματοδηγό εισόδου. Το φως που εκπέμπεται από τις άκρες των κυματοδηγών εξόδου, αφού ευθυγραμμιστεί στην κατακόρυφη διεύθυνση με ένα φακό, φθάνει μία συστοιχία απεικόνισης όπου οι δύο ακτίνες (αίσθησης και αναφοράς) συμβάλλουν και σχηματίζουν δύο διακριτές δέσμες πόλωσης, μία για την ΤΕ και μία άλλη για την ΤΜ πόλωση.

Μονολιθικά ενσωματωμένα LED και συμβολή κυματοδηγού πλάκας.

Ένα παράδειγμα ενός ευρείας ζώνης συμβολόμετρου Young με συμβολή επί της ψηφίδας δίνεται στο Σχ. 13. Μία μονολιθικά ολοκληρωμένη πηγή φωτός ευρείας ζώνης συζεύγνυται με ένα συμβολόμετρο Young, οι κυματοδηγοί εξόδου του οποίου τερματίζουν στον επί της ψηφίδας κυματοδηγό πλάκας. Η πηγή φωτός είναι η δίοδος χιονοστιβάδας Ρ<++>Ν<+>του προηγούμενου εδαφίου που εκπέμπει φως ευρείας ζώνης και είναι αυτο-ευθυγραμμισμένη με τον κυματοδηγό εισόδου. Οι δύο πολώσεις ΤΕ και ΤΜ διεγείρονται στον κυματοδηγού εισόδου. Η συμβολή συμβαίνει στην άκρη του κυματοδηγού πλάκας και της ψηφίδας και συλλαμβάνεται σε απ’ευθείας ζεύξη από μία συστοιχία απεικόνισης σε μικρή απόσταση από την άκρη της ψηφίδας,

 Διαμόρφωση ευρνζωνικού συμβολόμετρου Young.

 Μια πιο περίτεχνη διαμόρφωση των κυματοδηγών του συμβολόμετρου Young παρουσιάζεται στο Σχ. 14. Στην αρχή ο κυματοδηγός ξεκινά ως ένα πλήρως εγχαραγμένος κυματοδηγός ταινίας, όπως υπαγορεύεται από την ανάγκη της αυτο-ευθυγράμμισης με την μεταλλουργική ένωση της διόδου χιονοστιβάδας στην περίπτωση του μονολιθικά ολοκληρωμένου LED. Στη συνέχεια συνδέεται με τον ανάγλυφο κυματοδηγό με ένα στενό-πλατύ-στενό κωνικό σύνδεσμο (Σχ. 14) για τη μείωση των απωλειών ζεύξης. Το τμήμα ανάγλυφου κυματοδηγού ταινίας περιλαμβάνει την διασταύρωση Υ και τους κυματοδηγούς αναφοράς και αίσθησης. Είναι ρηχά εγχαραγμένο για να εξασφαλιστεί η μονορυθμικότητα και χαμηλές απώλειες διάδοσης. Το βέλτιστο πάχος του πυρήνα Si3N4επιλέγεται με βάση τα κριτήρια της υψηλής ευαισθησίας και του σαφούς διαχωρισμού των δύο δεσμών πόλωσης. Καθ 'όλο τον ανάγλυφο κυματοδηγό η απόσταση των δύο βραχιόνων διατηρείται σε ένα εύρος μερικών δεκάδων του ενός μικρόμετρου για τον περιορισμό των μηκών των κάμψεων τύπου S. Μετά τούς κυματοδηγούς αίσθησης και αναφοράς, οι κυματοδηγοί εξόδου ακολουθούν ως κυματοδηγοί ταινίας μετά από άλλον ένα στενό-πλατύ-στενό κωνικό σύνδεσμο. Λαμβάνοντας υπόψη τις έννοιες που αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες ενότητες, η απόσταση των δύο κυματοδηγών εξόδου στα άκρα εκπομπής πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε οι δύο δέσμες πόλωσης να εμφανιστούν στο εσωτερικό της γωνίας απόκλισης των ακτινών του κυματοδηγού. Αναμένονται αποστάσεις εκατοντάδων μικρών. Αυτός ο ευρύς διαχωρισμός των δύο κυματοδηγών επιτυγχάνεται σε μία μικρή απόσταση, δεδομένου ότι η γεωμετρία του κυματοδηγού ταινίας επιτρέπει πολύ πιο απότομες κάμψεις. Επίσης, μία σταδιακή στένωση στο τέλος της ταινίας μειώνει το πλάτος του κυματοδηγού ταινίας σε επίπεδα κάτω του μικρομέτρου το οποίο αυξάνει το αριθμητικό άνοιγμα του κυματοδηγού και επανεισάγει μονορυθμικότητα. Το αυξημένο αριθμητικό άνοιγμα απαιτείται για να διασφαλιστεί ότι και οι δύο δέσμες πόλωσης είναι εντός της γωνίας απόκλισης των ακτινών του κυματοδηγού.

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Μονοχρωματικά συμβολόμετρα Young έχουν μέχρι στιγμής δώσει τα χαμηλότερα όρια ανίχνευσης αλλαγών ισοδύναμου δείκτη διάθλασης είτε λόγω αλλαγών του μέσου κάλυψης ή λόγω σχηματισμού επίστρωσης ως αποτέλεσμα βιομοριακής δέσμευσης. Η βασική διαμόρφωση είναι απλή: Μέσω μιας διασταύρωσης Υ ένας κυματοδηγός χωρίζεται σε δύο βραχίονες, ένας αναφοράς και ένας αίσθησης. Τα δύο άκρα τερματίζονται στην άκρη της ψηφίδας και εκπέμπουν το κυματοδηγούμενο φως προς μία συστοιχία απεικόνισης. Λόγω συμβολής των δύο αποκλινόντων ακτινών, η ένταση του φωτός στην συστοιχία μεταβάλλεται ημιτονοειδώς με μια περίοδο η οποία είναι ανάλογη του μήκους κύματος επί την απόσταση από την συστοιχία και αντίστροφος ανάλογη της απόστασης μεταξύ των δύο βραχιόνων. Η ημιτονοειδής μορφή κροσσών έχει μια φάση η οποία είναι η ίδια με την διαφορά φάσης του φωτός που διαδίδεται στούς δύο βραχίονες. Έτσι, οποιαδήποτε αλλαγή στον ενεργό δείκτη του βραχίονα αίσθησης θα πρέπει να καταγράφεται ως αλλαγή στην ημιτονοειδή φάση. Λαμβάνοντας υπόψη τις εξαιρετικές διατάξες απεικόνισης που είναι διαθέσιμες, CCD ή συστοιχίες εικονοστοιχίων CMOS, και τη δυνατότητα κλιμακώσης της περιόδου του σήματος μέσω των γεωμετρικών παραγόντων του συμβολομέτρου-απεικονιστή, πολύ χαμηλά επίπεδα θορύβου είναι εφικτά. Την ίδια στιγμή οι ευαισθησίες στο σήμα φάσης αυξάνονται γραμμικά με το μήκος του εκτεθειμένου κυματοδηγού αίσθησης έτσι ώστε χαμηλά όρια ανίχνευσης να είναι εφικτά, στην πραγματικότητα το χαμηλότερο μεταξύ παρόμοιων συμβολομετρικών συσκευών. Οριο ανίχνευσης για δείκτη διαθλάσεως μέσου κάλυψης κάτω από 0.5X10-7 RΙU είναι εφικτό με τέτοια συμβολόμετρα.

Λαμβάνοντας υπόψη τα εγγενή πλεονεκτήματα των κλασσικών μονοχρωματικών συμβολόμετρων Young, η παρούσα εφεύρεση απόσκοπεί στο να βελτιώσει ακόμη περισσότερο την απόδοση της διάταξης με τη σύζευξη φωτός ευρείας ζώνης στον κυματοδηγό εισόδου και των δύο πολώσεων ΤΕ και ΤΜ. Τέτοιο φως εισόδου εισάγει άλλη μία διάσταση στα παρατηρήσιμα και αυτό είναι η ταυτόχρονη και ανεξάρτητη μέτρηση του σήματος φάσης για τις δύο πολώσεις σε ένα εύρος μηκών κύματος. Με αυτό τον τρόπο οι συνέπειες των αλλαγών του μέσου κάλυψης μπορούν να αποσυνελιχθούν από την επίστρωση και ο δείκτη διάθλασης της επίστρωσης μπορεί να ληφθεί χωρίς τη χρήση εξωτερικών πολωτών και επιπλέον μετρήσεων όπως στην μονοχρωματική συμβολομετρία Young. Αυτό είναι δυνατό καθώς η σχέση διασποράς της συνάρτησης φάσης με το κυματάριθμο είναι ουσιαστικά διαφορετική για τις δύο πολώσεις και αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί σε δύο χωρικά ξεχωριστά σχέδια κροσσών στη θέση της συστοιχία απεικόνισης. Η χρήση της ευρείας ζώνης φωτός επιτρέπει μια ευρύτερη ποικιλία πηγών φωτός να χρησιμοποιηθεί σε σχέση με τις πηγές λέιζερ που χρησιμοποιούνται στα κλασσικά μονοχρωματικά συμβολόμετρα Young. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό είναι ότι τα σχέδια κροσσών περικλείονται σε μια περιβάλουσα συνάρτηση που κινείται με την ανάπτυξη της επίστρωσης. Στην πραγματικότητα, η περιβάλουσα κινείται γρηγορότερα από το ημιτονοειδές σήμα και δρα ως ενισχυτής του οπτικού σήματος.

Claims (8)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1.  Μια φωτονική ψηφίδα που περιλαμβάνει:

μία συστοιχία συμβολόμετρων Young ευρείας ζώνης,

κυματοδηγούς αναφοράς και αίσθησησης για κάθε συμβολόμετρου κατάλληλα κατασκευασμένους έτσι ώστε οι συναρτήσεις φάσης ΤΕ και ΤΜ να έχουν εμφανώς διαφορετικές εξαρτήσεις με τον κυματάριθμο προκειμένου οι δέσμες κροσσών συμβολής των ΤΕ και ΤΜ να συμβούν σε διαφορετικές και όχι τεμνόμενες γωνίες,

κυματοδηγούς εξόδου τερματιζόμενους στην άκρη της ψηφίδας και με τα σωστά μήκη και αποστάσεις στις εκπέμπουσες άκρες έτσι ώστε οι γωνίες δεσμών συμβολής για τις πολώσεις ΤΕ και ΤΜ είναι εντός της γωνίας απόκλισης των ακτινών των κυματοδηγών εξόδου.

2.  Η φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 1, όπου κάθε κυματοδηγός εισόδου συζεύγνυται με μια πηγή φωτός ευρείας ζώνης από μία συστοιχία ολοκληρωμένων επί της ψηφίδας πηγών ευρυζωνικού φωτός.

3.  Μια φωτονική ψηφίδα που περιλαμβάνει:

μία συστοιχία συμβολόμετρων Young ευρείας ζώνης,

κυματοδηγούς αναφοράς και αίσθησησης για κάθε συμβολόμετρου κατάλληλα κατασκευασμένους έτσι ώστε οι συναρτήσεις φάσης ΤΕ και ΤΜ να έχουν εμφανώς διαφορετικές εξαρτήσεις με τον κυματάριθμο προκειμένου οι δέσμες κροσσών συμβολής των ΤΕ και ΤΜ να συμβούν σε διαφορετικές και όχι τεμνόμενες γωνίες,

μία επί της ψηφίδας συστοιχία κυματοδηγών πλάκας κατάλληλων διαστάσεων, έναν για κάθε συμβολόμετρο,

κυματοδηγούς εξόδου τερματιζόμενους στην αρχή των κυματοδηγών πλάκας και με τα σωστά μήκη και αποστάσεις στις εκπέμπουσες άκρες έτσι ώστε οι γωνίες δεσμών συμβολής για τις πολώσεις ΤΕ και ΤΜ είναι εντός της γωνίας απόκλισης των ακτινών των κυματοδηγών εξόδου και ένα αναγνώσιμο συμβολόγραμμα να σχηματίζεται σε κάθε άκρη πλάκας/ψηφίδας.

4.  Η φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 3, όπου κάθε κυματοδηγός εισόδου συζεύγνυται με μια πηγή φωτός ευρείας ζώνης από μία συστοιχία ολοκληρωμένων επί της ψηφίδας πηγών ευρυζωνικού φωτός

5.  Μία συσκευή για την ανίχνευση αναλυτών που αποτελείται από:

τη φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 1 ,

μια συστοιχία εκτός ψηφίδας πηγών φωτός ευρείας ζώνης οπού η κάθε πηγή συνδέεται με έναν από τις κυματοδηγούς εισόδου,

μια ενιαία συστοιχία απεικόνισης τοποθετημένη απέναντι από όλες τις εκπέμπουσες άκρες των κυματοδηγών εξόδου των συμβολόμετρων Young και σε κατάλληλη απόσταση για να παρακολουθεί τα αναγνώσιμα συμβολογραφήματα με τις διακριτές δέσμες κροσσών συμβολής ΤΕ και ΤΜ,

μόρια ανίχνευσης ακινητοποιημένα στα παράθυρα αίσθησης των συμβολομέτρων Young για να δημιουργήσουν ολισθήσεις κροσσών και δεσμών στο συμβολογράφημα κατά τη σύνδεση με τα μόρια του αναλύτη με την εμβάπτιση των παραθύρων αίσθησης μέσα στο διάλυμα αναλύτη, ηλεκτρονικά πόλωσης και έλεγχου για τη λειτουργία των εκτός ψηφίδας πηγών φωτός ευρείας ζώνης και της συστοιχίας απεικόνισης και για την πολυπλεξία των πηγών φωτός έτσι ώστε όλα τα ολοκληρωμένα συμβολόμετρα να διερευνώνται ανεξάρτητα.

6.  Μία συσκευή για την ανίχνευση αναλυτών που αποτελείται από:

τη φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 2,

μια ενιαία συστοιχία απεικόνισης τοποθετημένη απέναντι από όλες τις εκπέμπουσες άκρες των κυματοδηγών εξόδου των συμβολομέτρων Young και σε κατάλληλη απόσταση για να παρακολουθεί αναγνώσιμα συμβολογραφήματα τις διακριτές δέσμες κροσσών συμβολής ΤΕ και ΤΜ,

μόρια ανίχνευσης ακινητοποιημένα στα παράθυρα αίσθησης των συμβολομέτρων Young για να δημιουργήσουν ολισθήσεις κροσσών και δεσμών στο συμβολογράφημα κατά τη σύνδεση με τα μόρια του αναλυτή με την εμβάπτιση των παραθύρων αίσθησης μέσα στο διάλυμα αναλύτη, ηλεκτρονικά πόλωσης και έλεγχου για τη λειτουργία της επί της ψηφίδας ολοκληρωμένης συστοιχίας πηγών φωτός ευρείας ζώνης και της συστοιχίας απεικόνισης και για την πολυπλεξία των πηγών φωτός έτσι ώστε όλα τα ολοκληρωμένα συμβολόμετρα να διερευνώνται ανεξάρτητα.

7.  Μία συσκευή για την ανίχνευση αναλυτών που αποτελείται από:

τη φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 3

μια συστοιχία εκτός ψηφίδας πηγών φωτός ευρείας ζώνης οπού η κάθε πηγή συνδέεται με έναν από τις κυματοδηγούς εισόδου,

μια ενιαία συστοιχία απεικόνισης τοποθετημένη πολύ κοντά στην άκρη πλάκας/ψηφίδας για να παρακολουθεί τα συμβολογραφήματα με όλες τις διακριτές δέσμες κροσσών συμβολής ΤΕ και ΤΜ,

μόρια ανίχνευσης ακινητοποιημένα στα παράθυρα αίσθησης των συμβολομέτρων Young για να δημιουργήσουν ολισθήσεις κροσσών και δεσμών στο συμβολογράφημα κατά τη σύνδεση με τα μόρια του αναλύτη με την εμβάπτιση των παραθύρων αίσθησης μέσα στο διάλυμα αναλύτη, ηλεκτρονικά πόλωσης και έλεγχου για τη λειτουργία των εκτός ψηφίδας πηγών φωτός ευρείας ζώνης και της συστοιχίας απεικόνισης και για την πολυπλεξία των πηγών φωτός έτσι ώστε όλα τα ολοκληρωμένα συμβολόμετρα να διερευνώνται ανεξάρτητα.

8.  Μία συσκευή για την ανίχνευση αναλυτών που αποτελείται από:

τη φωτονική ψηφίδα της αξίωσης 4,

μια ενιαία συστοιχία απεικόνισης τοποθετημένη πολύ κοντά στην άκρη πλάκας/ψηφίδας για να παρακολουθεί τα συμβολογραφήματα με όλες τις διακριτές δέσμες κροσσών συμβολής ΤΕ και ΤΜ,

μόρια ανίχνευσης ακινητοποιημένα στα παράθυρα αίσθησης των συμβολομέτρων Young για να δημιουργήσουν ολισθήσεις κροσσών και δεσμών στο συμβολογράφημα κατά τη σύνδεση με τα μόρια του αναλύτη με την εμβάπτιση των παραθύρων αίσθησης μέσα στο διάλυμα αναλύτη, ηλεκτρονικά πόλωσης και έλεγχου για τη λειτουργία της επί της ψηφίδας ολοκληρωμένης συστοιχίας πηγών φωτός και της συστοιχίας απεικόνισης και για την πολυπλεξία των πηγών φωτός έτσι ώστε όλα τα ολοκληρωμένα συμβολόμετρα να διερευνώνται ανεξάρτητα.