TWI467158B - 光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法 - Google Patents

光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法 Download PDF

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Description

光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法
本發明係與一種光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法有關，且特別係與一種高靈敏度光頻譜線寬感測的應用方法有關。
在生醫感測器的領域中，由於需要相當高靈敏度以及精確的生物特徵感測結果，因此時常將光濾波器及其相關技術廣泛地應用於生醫感測器的研製中，以獲得較為精確的感測結果，便於進行醫學上的檢驗與判斷。
美國專利公開第US20080095490號揭露一種聚合物光波導元件，其係用以進行高頻超音波偵測。此光波導元件具有光學共振器，以及與光學共振器耦合的長直波導。長直波導是用來作為輸出端及輸入端。入射波導的聲波(Acoustic Wave)會致使波導截面的應力改變。因此，沿著環形共振區域傳播的光波，其等效折射率也會改變。也就是說，此專利係以聚合物光波導環形共振區域，利用入射聲波應力對光波導截面積的特性影響，來偵測共振光波長改變的裝置。
美國專利第US7,970,244號揭露一種光波導環形共振器的製作方法，此方法在半導體基板上形成環形共振波導區域，而在環形共振波導區域上形成無方向性(Unoriented)的電光聚合物覆蓋層，並且在半導體基板上形成電極。在 電場存在時，電光聚合物覆蓋層會改變其之方向性，並且以電極耦接至環形共振波導區域，以提供施加至電光聚合物覆蓋層的電場。簡言之，此專利利用光波導環形共振區域之光波導上無向電光聚合物的包覆層，在外加電場時，其方向的改變使得共振光波長也隨之變化。
此外，Vittorio M.N.Passaro等人以及Xudong Fan等人在2007年，分別於學術期刊上提出相關論文”Guided-wave Optical Biosensors”與”Overview of Novel Integrated Optical Ring Resonator Bio/chemical Sensors”，其中提及了以共振波長(Wavelength)的變化量，來檢測在環形共振區域上之待測物的特性變化，並以此方式來達成光環形共振器的感測應用。
詳細而言，Vittorio M.N.Passaro等人在其論文中揭露光波導生物感測器。此論文中之圖26採用一個以高分子材料來製作的環形軌道共振器，以作為生物化學感測之用，其之光譜的共振斜率因配置兩個部份反射元件而得以增強。該架構可產生諾菲共振譜線形狀(Fano-resonant Line Shape)，而大大地增強了環形軌道共振器的靈敏度。藉由增加共振腔品質因素Q，可降低對葡萄糖濃度量測的偵測極限，對微型的環形共振器來說Q值估計係約為20,000。因此，此論文的環形共振器對葡萄糖濃度量測的偵測極限為0.915毫克/公升(mg/dl)，對抗生物素蛋白(Spavidin)分子的偵測極限為250 pg/mm2 (pg/毫米平方)。並且，作為感測器的環形共振器，其之偵測傳播模式的等效折射率 (Propagating Mode Effective Index)之偏移約為10-7 。
另一方面，Xudong Fan等人在其論文中也揭露一種光波導生物感測器。此論文圖21揭露液態核心的光環形共振器(Liquid Core Optical Ring Resonator，LCORR)與抗共振反射光波導(Anti-resonant Reflecting Optical Waveguide，ARROW)的各層結構，以及兩者耦合的情形。在此論文中，LCORR係利用微型(Micro-sized)玻璃毛細管來實現，其之圓形的橫截面會形成環形共振器。待測物會通過LCORR毛細管，並且LCORR將藉由耳語廊模式(Whispering Gallery Modes，WGM)，而在其核層漸逝場(Evanescent Field)與通過毛細管的待測物互相影響。此外，ARROW可避免其核層(Core)的光漏至基板，並同時在核層上為ARROW與LCORR之間的耦合提供足夠的漸逝場。
然而，在所述之生物特徵感測的方式中，由於一般皆係利用感測光波長改變的方式，來感測對應之生物特徵的變化，因此皆需利用極為昂貴的光波長量測器(Wavemeter)來量測共振光波長的改變。同時，由於光波長量測器之量測靈敏度一般約為數百或數十微微米(Picometer)，此光波長量測器的使用，也會進一步地限制了光濾波器在感測生物特徵時的精確度。
本發明提供一種光濾波器光頻譜線寬之高靈敏度感測的應用方法，利用待測物特性改變所引起的線寬變化 (Linewidth Variation)來檢測其物質特性。
本發明提供一種光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法。所述應用方法包括如下步驟。提供一光環形共振器，其包括一訊號傳輸區域、一耦合區域以及一環形共振區域。將一待測物配置於環形共振區域，以對待測物進行量測。將一光訊號導入光環形共振器。利用一頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)來量測待測物所導致的光訊號之一線寬變化。基於此線寬變化進行分析，以獲得對應於線寬變化的待測物之物質特性。
在本發明之一實施例中，上述之光環形共振器更包括一耦光器，其係配置於耦合區域。訊號傳輸區域會接收一光訊號。光訊號係經由耦光器而傳遞至環形共振區域。
在本發明之一實施例中，上述之訊號傳輸區域包括一輸入埠及一輸出埠。光訊號係經由輸入埠而輸入至訊號傳輸區域，並經由輸出埠輸出至頻譜分析儀。
在本發明之一實施例中，上述之頻譜分析儀係為一電子式頻譜分析儀(Electrical Spectrum Analyzer)。
在本發明之一實施例中，上述之待測物係為可以影響光環形共振器的線寬變化之物質。
在本發明之一實施例中，上述之待測物之物質特性係為一血糖濃度、一抗體或抗原濃度及一蛋白濃度其中之一。
在本發明之一實施例中，上述之光環形共振器係以波導模的技術來製成。
基於上述，在本發明之範例實施例中，光環形共振器 的應用方法利用光頻譜線寬量測，不僅只需要價格相對較低的電子式頻譜分析儀，同時其靈敏度也相對高出許多。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明之範例實施例提供一種高靈敏度光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，並以一光環形共振器作為光濾波器的來進行例示說明，但本發明並不限於此一實施例。光環形共振器的輸出光能量特性，可以下式來表示：
其中K 是耦合區之耦合強度；η 是環形共振區域之傳輸損耗；f 是光頻率；n 是環形波導有效折射率；L 是環形波導長度；c 是光速。
由上式中可看出環形波導之有效折射率n 會影響輸出能量光譜的特性，並可進一步分析發現此光譜的線寬(Linewidth)具高靈敏度的反應。本發明之範例實施例乃利用待測物在環形共振區域的光頻譜線寬變化(Linewidth Variation)來檢測其物質特性。
在本發明之一實施例中，上述之光環形共振器係基於矽線波導(Silicon-wire Waveguide)、光纖等與波導模有關的 技術來製成。本實施例雖以矽線波導為範例，但本發明並不限於此。
本發明將以生物晶片為實施範例來詳細描述。惟應注意者係本發明之線寬量測方法，並不限於生物晶片之量測分析。亦即，待測物並不限於與生物材料有關的物理形變量，任何可造成線寬變化的待測物，其之物質特性均可基於本發明之線寬量測方法來進行分析而得。
生物晶片乃運用分子生物學、基因資訊、分析化學等原理進行設計，以矽晶圓、玻璃或高分子為基材，並配合微機電自動化、或其他精密加工技術，所製作之高科技元件，其具有具有快速、精確、低成本之生物分析檢驗能力。
矽長久以來都被使用在優化電子材料的應用中。對照著矽在電子電路的優勢，光電科技正在運用各種不同的材料基板中，以作為發光、光波導、調制光以及偵測光等等之用途。為了能充分發揮矽的另一項低光損耗材料特點，在過去十五年間，無數的研究著重於矽在光方面的運用，其之最終目地是讓矽成為一個光電材料的共同基板，以將光元件與電子電路結合一起。最近絕緣層上覆矽，是矽被考量在光方面的應用上，最成功的研究與發展，同時矽晶片下添增氧化物的絕緣層，除了具備在光通訊波長中的高穿透率、成熟的互補金屬氧化半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的製程技術，以及高有效折射率差與低光損耗材料等等特點以外；在電子電路方面，此一結構可避免電氣效應，降低電源消耗，以減少電流的流 失，並增進電路的處理速度。因此絕緣層上覆矽的技術不僅可節能地應用在快速電路上，更可充分發揮矽的低成本，而讓智慧積體電路之被動與主動光電元件得以實現。
在本發明實施態樣中，以絕緣層上覆矽之光元件為主的光環型共振器，可以提供生醫感測的節能元件，以達到低能源消耗與低操作成本的目標。以下將以矽線波導為範例實施例與圖式，來更加詳細地描述本發明。
圖1繪示本發明的一實施例之光環形共振器的架構示意圖。請參考圖1，本實施例之光環形共振器100包括一訊號傳輸區域110、一環形共振區域120以及一耦合區域130。訊號傳輸區域110包括一輸入埠A及一輸出埠B。光訊號S係自可調波長光源140輸出，經由輸入埠A輸入至訊號傳輸區域110，並經由輸出埠B輸出後，再進入頻譜分析儀200。其中，待測物係配置於環形共振區域120，以進行物質特性之分析量測。
在本實施例中，頻譜分析儀200可以例如是一電子式頻譜分析儀，於本發明之應用中，其之靈敏度可達1×10-9 RIU(Refractive Index Units)，相較於從Passaro 2007年Sensors期刊中，約可估計為1×10-5 RIU的習知的光波長頻譜分析儀之靈敏度高出許多。另外，在本實施例中，耦合區域130可以例如利用光學耦光器(Optical Coupler)，來讓訊號傳輸區域110與環形共振區域120兩者耦合，光訊號S係經由該光學耦光器而進入環形共振區域120。此時，若待測物被設置於環形共振區域120中，則光訊號S經過 環形共振區域120後，其之波長及線寬將會隨著待測物的不同而有所改變。當光訊號S經由輸出埠B輸出後，會進入頻譜分析儀200，並可藉此根據其之線寬變化，來分析並獲得該待測物之物質特性。
圖2繪示本發明之矽線波導的截面示意圖。詳細而言，如圖2所示，光環形共振器100係於絕緣層上覆矽層上來製作環型共振腔。在圖2中，環形共振區域120之光波導是以矽為材料，並且係覆蓋於二氧化矽之絕緣層上，其所具備之小體積使其更便於應用在感測器上。
圖3繪示依據本發明的一實施例之光環形共振器的應用方法之步驟流程圖。請參考圖1及圖3，本實施例之光環形共振器100係以絕緣層上覆矽光波導的技術來製作，並發展出體積小與重量輕的高精密度光電生物晶片，以達到快速、精確、低成本之生物分析檢驗能力。因為生醫物質的光特性之有效折射率是在1.3左右，於是絕緣層上覆矽之光波導的厚度必須縮小至次微米量級，才可使生物光電感測的靈敏度提升，其更可與互補金屬氧化半導體製程完全匹配共容。當絕緣層上覆矽波導的中心層厚度約減小至0.3微米(Micrometer)而成為矽線波導時，利用以此矽線波導為主的生物晶片並運用其之高靈敏相位分析，來量測血糖(Glucose)、抗體(Antibody)或抗原(Antigen)與蛋白(Protein)濃度含量的變化，將會是一個有高可靠性生醫感測的研究。
在步驟S300中，首先可以提供如圖1之光環形共振 器100。光環形共振器100係以絕緣層上覆矽光波導的技術來製作。接著，在步驟S310中，將一待測物配置於環形共振區域120中，以對該待測物進行量測。在此，待測物可以例如是一生物材料，但本發明並不限於此。之後，在步驟S320中，將一光訊號S導入光環形共振器100。繼之，在步驟S330中，利用電子式頻譜分析儀200來量測待測物所導致的光訊號S之一線寬變化。接著，在步驟S340中，基於線寬變化進行分析，以獲得對應於線寬變化的待測物之物質特性。在此，該物質特性係選自可影響環形共振區域特性，進而影響光環形共振器的線寬物理量，其中，待測物係可選自生醫檢測所需之生物特徵，例如血糖濃度、抗體濃度、抗原濃度或蛋白濃度其中之一，但不限於此。
以血糖為例，圖4繪示本發明一實施例之不同血糖濃度之光頻譜線寬變化的數據圖。請參考圖4，在本實施例中，圖4的計算顯示出不同的血糖濃度所造成之光環形共振器100不同的線寬變化。由圖4可知，相較於重量百分濃度為0.15%的血糖，重量百分濃度為0.07%的血糖具有較窄的線寬變化(即圖4中△λ1 <△λ2 )。因此，就生物晶片的應用層面而言，本實施例之光環形共振器100將可利用量測生物材料之線寬變化，來獲得此生物材料之血糖、抗體或抗原與蛋白濃度含量的變化，同時其具有高靈敏、低成本等特性。
再以血糖為例，以0.3微米厚的矽線光波導來看，血糖 濃度有其本身的光折射率。當血糖溶液覆蓋在矽線光波導為主的環形共振器100上，有效折射率將發生變化。圖5繪示本發明的一實施例之光環形共振器線寬，隨血糖折射率的變化關係。請參考圖5，在本實施例中，由圖5的計算顯示出當血糖濃度從安全範圍70 mg/dl(從Su 2007年Sensors and Actuators B期刊中，此血糖折射率為1.3222943)至150mg/dl(此血糖折射率為1.3341735)時，矽線光波導環形共振器100線寬的變化。從線性迴歸分析(regression)計算可得到其斜率為5.7x109 Hz/RIU。若頻譜分析儀200之頻率量測準確度可達5赫茲(Hz)左右，此線寬量測靈敏度可達到~1x10-9 RIU。
綜上所述，在本發明之範例實施例中，光環形共振器利用線寬量測來分析待測物之物質特性，不僅只需要價格相對較低的電子式頻譜分析儀，同時其靈敏度也相對高出許多。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光環形共振器
110‧‧‧訊號傳輸區域
120‧‧‧環形共振區域
130‧‧‧耦合區域
200‧‧‧頻譜分析儀
A‧‧‧輸入埠
B‧‧‧輸出埠
S‧‧‧光訊號
S300、S310、S320、S330、S340‧‧‧光環形共振器的應用方法之步驟
△λ1 ‧‧‧重量百分濃度為0.07%的血糖的線寬變化
△λ2 ‧‧‧重量百分濃度為0.15%的血糖的線寬變化
圖1繪示本發明一實施例之光環形共振器的架構示意圖。
圖2繪示矽線波導的剖面示意圖。
圖3繪示本發明一實施例之光環形共振器的應用方法之步驟流程圖。
圖4繪示本發明一實施例之不同血糖濃度之光頻譜線寬變化的數據圖。
圖5繪示本發明一實施例之光環形共振器線寬隨血糖折射率的變化關係。
S300、S310、S320、S330、S340‧‧‧光環形共振器的應用方法之步驟

Claims (7)

  1. 一種光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，該應用方法包括：提供一光環形共振器，其中該光環形共振器包括一訊號傳輸區域、一耦合區域以及一環形共振區域；將一待測物配置於該環形共振區域，以對該待測物進行量測；將一光訊號導入該光環形共振器；利用一頻譜分析儀來量測該待測物所導致的該光訊號之一線寬變化；以及基於該線寬變化進行分析，以獲得對應於該線寬變化的該待測物之物質特性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該光環形共振器更包括一耦光器，其係配置於該耦合區域，該訊號傳輸區域會接收一光訊號，該光訊號係經由該耦光器而傳遞至該環形共振區域。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該訊號傳輸區域包括一輸入埠及一輸出埠，該光訊號係經由該輸入埠而輸入至該訊號傳輸區域，並經由該輸出埠輸出至該頻譜分析儀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該頻譜分析儀係為一電子式頻譜分析儀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該待測物係為可以影響該光環形 共振器的線寬變化之物質。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該待測物之物質特性係為一血糖濃度、一抗體或抗原濃度、及一蛋白濃度其中之一者。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光濾波器光頻譜線寬感測的應用方法，其中該光環形共振器係以波導模的技術來製成。
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