WO2009010624A1 - Interferometro y sensor basados en guías de ondas ópticas bimodales y método de detección - Google Patents

Interferometro y sensor basados en guías de ondas ópticas bimodales y método de detección Download PDF

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WO2009010624A1
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bimodal
interferometer
flat
mode
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Carlos Dominguez Horna
Kirill Zinoviev
Laura Maria Lechuga Gomez
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
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Definitions

  • the present invention relates to interferometers and sensors based on waveguides, more specifically, to interferometers and sensors based on bimodal optical waveguides.
  • a molecule eg, protein, glucose or the union between molecules
  • the amount of reagent or the concentration of molecules present in a solution can be low and highly sensitive devices are necessary for their detection. Detection can be directed using various methods and techniques. There are various nanomechanical and optical devices, such as interferometers
  • Mach-Zhender, Superficial Plasma Resonance, Young interferometers, Fabry-Perot interferometers and slab-type interferometers are compact devices based on optical waveguides, long known and studied in depth. These techniques are currently among the most accurate in the field of biomolecular detection, because the simplicity of robuta flat structures confers an advantage in relatively simple immobilization procedures. The methods and protocols developed allow the union of unlabeled molecules. This makes the experiments less laborious and more repeatable, as labeling could lead to error, by interfering with the results. Interferometers usually have two arms, when the interferometer acts as a sensor and one of them has a sensor plate, while the other is a reference.
  • the reagent which flows through the sensor plate, interacts with the molecules previously immobilized by the waveguides located in the area. This modifies the refractive index of the waveguide coating and therefore the speed of light propagation through it. As a consequence, there is a change in the phases of the light waves that propagate through both arms.
  • an interference pattern in the case of the Young interferometer and a variation in the signal of the output channel in the case of Mach-Zhender are examples of the type of interferometer.
  • two-arm interferometers have the disadvantage of not dividing the light properly. If there were manufacturing defects, the critical symmetry of the Y intersection makes the interferometer more likely to have reduced modulation depth and loss of sensitivity.
  • the sensitivity is defined by the level of penetration of the evanescent field of the waveguide in the analyte, in combination with it, that is, in the analyte that is in contact with the waveguide.
  • the level of penetration increases significantly if the thickness of the waveguide decreases. This involves complications when coupling the light, due to the mismatch between the intensity distribution in the waveguide propagation mode in thin waveguides, and the intensity distribution of a conventional light source.
  • the initial adjustment of phase change between interfering light waves requires additional technological and engineering efforts.
  • the operating principle of the structure described in JP2004145246 is based on the interference of two propagation modes in a flat bimodal waveguide, shown in Figure 5.
  • the physical structure is three-dimensional, in terms of its properties it is two-dimensional:
  • longitudinal direction consisting of an X axis in Figure 5
  • the structure has a step or rib 500 that determines a change in thickness along the longitudinal axis.
  • the properties eg refractive index
  • the waveguide structure is uniform, since its properties do not change along it.
  • the structure is therefore two-dimensional (from the point of view of propagation it has a longitudinal and a transversal dimension).
  • the device size of JP2004145246 does not allow the manufacture of long and narrow interferometers, capable of detecting minimal changes in the refractive index of the coating.
  • Silicon Bimodal Waveguide in which the lateral modes contribute to generate the interference pattern.
  • This device can be made using conventional photolithography.
  • the present invention focuses on bimodal waveguide structures in which the relative phase delay between the two propagation modes is accumulated when it is subject to structural change. Also, the present invention is related to an optical waveguide interferometer comprising a bimodal waveguide, in which the dispersion of the propagation modes is order sensitive.
  • a flat waveguide interferometer comprising a substrate; a bimodal waveguide, comprising at least one layer deposited on the substrate, the bimodal waveguide designed to support zero and first order transverse propagation modes.
  • the dispersion of transverse propagation modes is different; a sensor plate located in a specific area of the upper part of the bimodal waveguide, the sensor plate designed to receive a chemical, biological or physical input stimulus. This stimulus is capable of modifying the effective refractive index of the bimodal waveguide.
  • the bimodal waveguide comprises confinement means designed to confine light in the lateral direction, the bimodal waveguide designed, therefore, to support a lateral mode.
  • the interferometer preferably comprises an electromagnetic radiation source configured to guide the light in the bimodal waveguide. Said source is more preferably a laser.
  • the interferometer comprises polarization means
  • the interferometer comprises focusing means.
  • the focus means is a lens.
  • the central axis of the lens is configured to be misaligned in the transverse direction with respect to the longitudinal symmetry of the bimodal waveguide axis.
  • the first and second propagation modes are excited within the bimodal waveguide, when the source light is focused directly on said lens towards the bimodal waveguide.
  • the interferometer comprises an input waveguide connected to one end of the bimodal waveguide, this input waveguide is designed to support a single-mode in transverse and lateral direction; and an output waveguide at the other end of the bimodal waveguide, this output waveguide is designed to support a single mode in transverse and lateral direction.
  • the thickness of each of the input and output waveguides is smaller than the thickness of the bimodal waveguide, due to the asymmetric geometry of the structure at the intersection of the input waveguide and waveguide bimodal, the single mode is divided into the first and second propagation mode.
  • the interferometer comprises means for coupling electromagnetic radiation to the bimodal waveguide, these means selected from: direct fiber-guide alignment, direct focus, prism coupling and diffraction network coupling.
  • the amount of light transmitted to the output waveguide depends on the intensity distribution of said light when it is at the intersection of the bimodal waveguide and the output waveguide.
  • the interferometer comprises coupling means configured to engage the bimodal waveguide and the first and second order light modes with different angles of incidence.
  • the coupling means is a diffraction network coupled to an input of the bimodal waveguide.
  • the bimodal waveguide comprises at least two layers; In this case, each of the layers corresponds to different refractive indices. The refractive index of the second layer is lower than the second.
  • the effective refractive indices of the zero order and first order mode are substantially different. This dispersion difference of the transverse propagation modes depends on the speed recorded in the waveguide parameters.
  • the interferometer comprises detection devices to measure changes in radiation intensity at the waveguide output, caused by the input stimulus.
  • the detection means is a two-section photodetector.
  • Another aspect of the invention relates to a chip comprising at least one flat optical waveguide interferometer, as mentioned above.
  • Another aspect of the invention relates to a sensor comprising a flat optical waveguide interferometer, as mentioned above.
  • the present invention is related to a detection method comprising the following steps: (a) defining a sensor plate in a given area of a bimodal waveguide of an optical bimodal waveguide interferometer; (b) placing a stimulus chemical, biological or physical on the sensor plate; (c) introduce or cause changes in the stimulus; (d) coupling a zero order mode and a first order mode of electromagnetic radiation in the bimodal waveguide, so that when both modes travel through the sensor plate defined in the bimodal waveguide, they suffer a delay phase that depends on the changes of the stimulus; (d) coupling the first and second order modes of electromagnetic radiation within the bimodal waveguide, so that when both modes pass through the plate defined in the bimodal waveguide, there is a phase delay that depends on the stimulus changes; (e) measure the response of the zero order with respect to the response of the first order, at the output of the bimodal waveguide; and (f) relate the relative responses of both modes to the changes produced in the stimulus.
  • the response measurement step of the zero order mode with respect to the first order mode comprises: the generation of interference pattern strip; and measuring the interference pattern shift.
  • the The step of relating the relative responses of both modes with the changes given stimulus comprises relating the displacement of the interference pattern with the presence of changes in the given stimulus.
  • Figures a to Ic are schematic representations of bimodal waveguide optical interferometers corresponding to the present invention.
  • Figure Id is an example of the intensity distribution of the transverse direction propagation modes in a corresponding bimodal waveguide optical interferometer the present invention.
  • Figure 2a is an example of an interferometer and sensor corresponding to the present invention.
  • Figure 2b shows an implementation of the example of Figure 2a.
  • Figure 3 is an example of an interferometer and sensor corresponding to the present invention.
  • Figure 4 is an example of an interferometer and sensor corresponding to the present invention.
  • Figure 5 shows a two-dimensional flat waveguide corresponding to the prior art.
  • Figures 6 and 7 represent a waveguide, to exemplify the meanings of "transverse” and “lateral”, corresponding to the explanations of the present invention.
  • Figure 8 shows two simulations of signals detected at the output of an interferometer of the invention.
  • Figure 9 shows a simulation, corresponding to the invention, of how the refractive index of the coating influences the propagation constants of the two modes.
  • Figure 10 represents, comparatively, the sensitivity and refractive index of the coating corresponding to the invention.
  • Figure 11 shows a schematic view of an experimental assembly of a sensor corresponding to the invention.
  • Figures 12a and 12b show the response of the sensor of Figure 11 under different conditions.
  • a "transverse mode" of a beam of electromagnetic radiation light is a pattern of determined radiation intensity, which is measured along a line formed by a plane (plane 1 or plane YOZ), perpendicular to the direction of propagation of the light beam and a plane (plane 2 or plane XOY) perpendicular to a waveguide structure and running in the direction of propagation.
  • plane 1 or plane YOZ plane 1 or plane YOZ
  • plane 2 or plane XOY plane perpendicular to a waveguide structure and running in the direction of propagation.
  • a "lateral mode" of a beam of electromagnetic radiation light is a pattern of determined radiation intensity, which is measured along a line formed by a plane (plane 1 or plane YOZ) perpendicular to the direction of propagation of the light beam and to a plane (plane 3 or plane XOZ), also perpendicular to the waveguide structure, and which runs in the direction of the propagation.
  • plane 1 or plane YOZ perpendicular to the direction of propagation of the light beam
  • plane 3 or plane XOZ plane
  • the transverse and lateral modes can be classified into TE (electrical transverse) and TM (magnetic transverse) modes.
  • TE modes are those that lack electric field in the direction of propagation
  • TM modes are those that lack magnetic field in the direction of propagation.
  • the "dispersion" of a waveguide mode is a dependence on the propagation speed of that mode, recorded in the parameters of the waveguide and the surrounding layers.
  • Analyte is understood as any solution that contains a substance that can be detected by the interferometer and the sensor of the present invention.
  • the figure shows a schematic drawing of a waveguide 10 that supports two modes of the present invention.
  • the two modes that waveguide 10 is capable of supporting are transverse (TE or TM): a fundamental TE or TM mode and a TE or
  • optical waveguide 10 acts as an interferometer.
  • the optical waveguide 10 comprises at least one layer 2 of optically transparent material deposited as a sheet on the substrate 8.
  • the waveguide 10 comprises several layers 1 2 3 of optically transparent material, wafer deposited in the substrate 8.
  • the refractive index of layer 2 is greater than that of adjacent layers 1 and 3. Therefore, optical waveguide 10 is a slab-type optical waveguide.
  • the waveguide may have only one layer: A layer 1 on the substrate is sufficient, since, as explained below, an analyte deposited on the upper layer (which may be the only one) also forms a (coating) layer located above of the optical waveguide 10.
  • the operating principle of the interferometer is fulfilled according to which the light travels through a structure that has zones of different refractive index, these two zones are the monolayer waveguide 10 (supported on the substrate 8) and the analyte or coating layer also deposited there. Preferably several layers 1 2 3 are used to optimize the structure.
  • Waveguide 10 comprises confining means capable of confining light in the lateral direction. Thanks to these confinement means 9, the waveguide can support at least one lateral mode.
  • the single-mode operation in the lateral direction also facilitates the modeling of the interferometer when it acts as a sensor, and makes its behavior predictable.
  • confinement means 9 are a rib, guide or a gradient.
  • the following waveguides are appropriate: rib, guide, gradient or other waveguide structures.
  • the waveguide 10 thus allows the propagation of electromagnetic radiation incident in the direction described by the length of the waveguide 10, that is, in the direction represented by an arrow leaving the optical source 4.
  • the guide Wave 10 is preferably rectangular, so that the modes are confined transversely and laterally. The fact of being rectangular does not mean that in the plane perpendicular to the direction of propagation it necessarily has a rectangular profile. In contrast, the cross section of the waveguide may have a small step and form a rib waveguide structure.
  • waveguide 10 is a rib waveguide, shown in FIG. where it is also appreciated that the waveguide comprises a rib 9 in the lateral direction (according to the scheme in Figure 5)
  • This rib 9 implies that the thickness of the waveguide 10 varies along said lateral direction.
  • Figure Ib shows another view of the same waveguide 10, of rib 9.
  • Reference 19 of Figure Ic represents another type of waveguide 10. In Figure Ib, they show the three directions of propagation: longitudinal direction X, (which is the direction of propagation of light), transverse direction Y, and lateral direction Z.
  • the structure of the present invention is homogeneous in terms of the direction of light propagation, while the structure described in JP2004145246 is homogeneous or uniform in the lateral direction.
  • the structure comprises a plate or sensor area that is formed on a surface of the waveguide by a standard photolithography and a wet etch.
  • This sensor plate is represented in Figures 2 to 4.
  • One of the advantages of this 2D structure is that the waveguide confines a single-mode light (therefore, it is capable of propagating light) over several centimeters without the light is divergent in lateral direction.
  • a single-mode operation in the lateral direction is necessary, for the following reasons: first, because when the waveguide is used as an interferometer or as a sensor, it serves to avoid ambiguities in the control of the interference pattern, which is created at the end of the waveguide.
  • the thin waveguides which can only be implanted by two two-dimensional structures (eg rib type, guide, etc.) allow the sensor area to be sequenced to a fraction of a millimeter.
  • the sensor area can vary from about 0.05 to 1 mm.
  • a waveguide 0.01 mm thick and 15 mm long has an area of 0.15 mm 2 .
  • the structure must be long enough to operate as a waveguide interferometer, since its sensitivity is proportional to the length of the sensor plate or area or to the length of the bimodal waveguide. Therefore, the length of the structure is preferably in a range of about 0.5 to 5 cm.
  • Figure Ic shows how waveguide 10, formed by a waveguide 10, constituted by an implemented waveguide, can be designed by implementation.
  • Reference 18 represents the area where the waveguide is implanted 19.
  • the refractive index changes in this area 18.
  • Said waveguide undergoes a spatial change with respect to the refractive index in transverse and lateral direction, while geometrically it continues to be A flat slab structure.
  • Light from a source 4 can be transmitted to the input end of waveguide 10, as if it were to illuminate layer 2.
  • light source 4 it provides light that has a wavelength that falls within or near the visible infrared range; said range is approximately 400 to 1600 nm.
  • the light source 4 is preferably a laser.
  • the two transverse propagation modes are equally excited and travel along the waveguide 10, accumulating a difference in the phase delay.
  • the light can radiate from the surface of the end to a screen or measuring device 7.
  • the intensity distribution represents the accumulated relative phase delay.
  • Detectors such as one or more than one photodiode, are non-restrictive examples of measuring devices. If more than one photodiode is used, they are arranged in an array, such as a two-dimensional array of photodiodes or a CCD camera.
  • the two transverse modes are capable of exhibiting a measurable relative response to a change in the wavelength of incident electromagnetic radiation or in a localized environment. If the refractive index of layer 1 changes locally, a different phase delay accumulates and the intensity distribution is modified accordingly.
  • the transverse optical waveguide modes have an electric field, distributed between the layers 1 2 3, and in some cases through the substrate 8 of the waveguide structure 10. The relative amount of energy contained in the layers 1 2 3 determines the "effective refractive index" of the waveguide mode. In turn, the effective index of refraction of a mode determines the propagation velocity in that way and, therefore, how much phase delay can accumulate as the mode travels through waveguide 10.
  • the field distribution also changes, and as a result there is a change in the effective refractive index. If the dispersion properties of the modes are different, there may be a great change in the effective refractive index.
  • the propagation constants for the fundamental and first order modes depend on the refractive index of the top layer or coating. As already mentioned, when the optical waveguide acts as an interferometer and an analyte is deposited on the upper layer 1, said analyte acts as a coating layer. In other words, it is necessary that the dispersion (that is, the dependence of the propagation constants on the index of refraction) be different for each mode.
  • the pattern of interference of both modes at the end of the waveguide depends on the refractive index of the combined layers and, consequently, on the refractive index of the analyte solution.
  • Figure Id is an example of the intensity distribution of propagation modes in the transverse direction.
  • the distance in the transverse direction is indicated on the X axis, in nm.
  • the normalized intensity of the electric field is indicated on the Y axis (the magnitude is not as important as the response or form).
  • reference 11 represents the intensity distribution of the fundamental mode and references 12 and 13 the intensity distribution of the first order mode.
  • the dispersion effect is given by the marked difference between the energy distributions of both modes.
  • the optical waveguide structure 10, which forms an optical interferometer can be manufactured more advantageously using any suitable combination of usual materials.
  • Some examples of conventional manufacturing methods are those based on the Steam Phase Chemical Deposition (CVD), such as the Deposition
  • PECVD Plasma Assisted Steam Chemistry
  • LPCVD Layer Deposition System
  • the Steam Phase Chemical Deposition is a chemical process used to produce solid materials of high performance and purity, such as thin layers.
  • the sheet (substrate) is exposed to one or more volatile precursors, which react and / or decompose on the surface of the substrate to produce the desired deposit.
  • CVD is commonly used to deposit materials in various forms, including monocrystalline, polycrystalline, amorphous and epitaxial. These materials include: silicon, carbon fiber, filaments, carbon nanotubes, SiO 2 , silicon-germanium, tungsten, silicon carbide, silicon nitride, silicon oxynitride, titanium nitride, and various high-k dielectrics.
  • the refractive index of a constant-thickness silicon oxynitride optical waveguide could be selected at any value in the range between 1, 457 and 2 , 00.
  • the first and second waveguide mode may exhibit a measurable relative response to a given change in a localized environment, caused by changes in the given physical, biological and / or chemical stimulus.
  • the cause of this response is the evanescent field of modes, which extend through the localized environment.
  • An example of introducing a change in a stimulus is a change in the refractive index of the material (eg analyte), located in that environment.
  • the flat optical waveguide interface 15 can be used to detect the presence of changes in a physical, biological or chemical stimulus of an analyte that has been introduced in a localized environment.
  • the optical waveguide interferometer becomes a chemical waveguide interferometric sensor or a sensor based on optical waveguide.
  • Some non-restrictive examples of stimulus interaction with waveguide modes are: link interaction, absorption interaction or other interactions.
  • a liquid or gas phase analyte comprising a chemical stimulus can be introduced into the localized environment of the optical waveguide interferometer.
  • there may be a chemical reaction which produces changes in such an environment, that affect the nature of the chemical stimulus in situ and causes a change in said environment.
  • the localized environment also called the sensor layer or plate, is preferably an area or surface of the upper layer 1 of the optical waveguide 10 (not shown in Figures Ia-Ic).
  • This sensor layer may comprise absorbent or bioactive materials.
  • absorbent materials are polymeric materials, such as polyxylosan or printed polymers.
  • An absorbent material can absorb gases, liquids or vapors that comprise a specific chemical stimulus.
  • bioactive materials are those comprising monoclonal and polyclonal antibodies, enzymes, DNA fragments, RNA, aptamers, APN, functional proteins or whole cells.
  • a bioactive material may be appropriate to be detected in the liquid or gas phase.
  • the bimodal waveguide 10 (which acts as an interferometer) an interference pattern is generated when electromagnetic radiation is propagated by the waveguide 10.
  • the aforementioned changes, given in a stimulus located in the localized environment or sensor plate, or a given change in the wavelength can be calculated by means of the relative phase change of the interference pattern.
  • the offset of stripes in the interference pattern represents the measurable response to that change.
  • the relative phase change that occurs within the interferometer can be calculated by measuring said fringe displacement.
  • the interference pattern can be recorded in a conventional manner (for example, using a single detector 7 that measures the changes in the intensity of the radiation or several of those detectors 7, which controls the changes given in a series of stripes, or in the whole interference pattern).
  • These detectors 7 are preferably one or more photodetectors and when using more than one, they are arranged in an array, such as an array of two-dimensional photodiodes.
  • the light from the source 4 focuses on the input end 5 of the waveguide 10 and propagates in the form of electromagnetic radiation, which can be coupled in the first and second waveguide modes in different ways
  • the radiation is simply coupled to the waveguide 10 by means of the end of a face 5 of said waveguide 10.
  • This is also known as "end-fire type procedure".
  • the light source eg laser
  • substrate 8 Some non-restrictive examples of substrate 8 are silicon and indium phosphate substrates.
  • the interferometer 15 comprises other coupling means for coupling the incident electromagnetic radiation to the first (fundamental) and second (first order) waveguide modes of the waveguide 10. This coupling of both modes is made substantially simultaneously.
  • Some non-restrictive examples of coupling means apart from the "end-fire", are direct focus (for example, with a HeNe laser), prism coupling, diffraction mesh coupling or mirror coupling.
  • incident light or electromagnetic radiation can be oriented (eg linearly polarized) as appropriate using appropriate polarization means.
  • Some non-restrictive examples of such means are polarization beam splitter cubes, linear polarizers and grid polarizers.
  • incident light or electromagnetic radiation can be focused using focusing means.
  • Some non-restrictive examples of such means are: a lens, a micro-lens and an optical system comprising a series of lenses.
  • the electromagnetic radiation pattern can be projected towards the above-mentioned detector with projection means.
  • projection means Some non-restrictive examples of such means are objective lenses, lenses and direct projection on multi-section photodetector.
  • FIG. 2 shows an example of interferometer 25 comprising a bimodal waveguide 20, in turn formed by one or several layers, as shown in figures la, Ib and Ic.
  • the waveguide 20 comprises a sensor plate 21, where the analyte can be deposited.
  • the waveguide modes (fundamental and first order) are excited in the waveguide 20 thanks to the direct focus of the light coming from a laser (not shown in Figure 2) by means of an objective lens 22.
  • a structure is not considered symmetric in the transverse direction, if the distribution of the index of refraction through said structure and in said direction is not symmetric with respect to the axis of symmetry of the structure.
  • the axis of symmetry of the structure passes in the direction of light propagation and crosses the perpendicular plane in the direction of light propagation, at a point where the maximum intensity distribution of the electromagnetic field is found in a fundamental transverse way. Therefore, the structure of Figure 5 is not symmetric.
  • the central axis of the objective lens can be misaligned in a transverse direction with respect to the axis of symmetry of the waveguide layer, both the zero order (fundamental) mode and the first order mode are excited.
  • the two transverse modes propagate at different speeds and pass through the sensor plate 21.
  • the interference pattern that is formed at the output end 16 of the guide 20 is projected on a two-section photodetector (TSP) 27, a objective lens 29 as a means of projection and amplification.
  • TSP photodetector
  • the position of the maximum interference pattern is defined, in addition to parameters such as the index of refraction, the thickness of each layer and the length and thickness of the waveguide, by the initial phase of the excited waves and by the index of analyte refraction that passes through the sensor plate 21.
  • the change is recorded in the refractive index of the coating (measured on the sensor plate), caused by a chemical or biological reaction that occurred on the surface of the waveguide or by changes in the analyte solution.
  • Blocks 28 refer to the walls of a micro-fluid cell, which can be coupled to waveguide 20 to provide fluid and analyte exchange. They are not part of the present invention.
  • Figure 2b shows an implementation of the example of Figure 2a.
  • the interference pattern in the transverse direction can be distributed with a maximum located at the bottom or top of the waveguide, as shown in Figure 2b, where the light intensity distributions, found in the cross section appear in the box .
  • the distributions are designed for a waveguide with a refractive index of 2.0 (silicon nitride) and with a thickness of 400 nm.
  • the phase difference between the modes varies in ⁇ radian from one curve to another. Under certain conditions the difference between the energies concentrated in the upper and lower section of the photodetector can reach -17 dB.
  • the output intensity is proportional to the amount of light coupled to the waveguide input.
  • the total energy of the light at the output is proportional to the energy coupled to the input, except for some changes caused by reflection from the output facet which, according to the simulations , changes slightly with the movement of the interference pattern.
  • TSP multi-section photodetector
  • Figure 3 represents an example of an interferometer 35 comprising a bimodal waveguide 30, formed by one or more layers as shown in Figures la, Ib and
  • the bimodal waveguide 30 comprises a sensor plate
  • the interferometer 35 comprises, at both ends of said waveguide 30, single-mode waveguides 31 32. Both the input and output waveguides 32 are single-mode in lateral and transverse directions. The only parameter that varies from the single-mode part 31 32 to the bimodal part 30 is the thickness. This implies that the thickness of these two waveguides 31 32 is less than the thickness of the bimodal waveguide 30.
  • the light is coupled to the input of the waveguide
  • the coupling means used specifically for the interferometer 35 of Figure 3 is the direct coupling by means of a focused lens 34.
  • the fundamental mode which is the only mode that is propagated by the waveguide input 32
  • the fundamental order is divided into two modes: fundamental order and first order, in the bimodal waveguide 30.
  • the ratio between The amplitudes of the modes are defined by the geometry of the structure or, more precisely, by the thickness of the waveguides 32 30 31.
  • the optimization of the thickness of the waveguide is an engineering problem that can be solved based on methods Conventional modeling
  • the amount of light coupled to the output of the waveguide 33 depends on the intensity distribution existing at the intersection of the bimodal waveguide 30- output waveguide 33.
  • the reading of the output signal is carried out with a conventional photodetector 37, such as a photodiode.
  • the output interference pattern is projected on said photodetector 37 using an objective lens 39 as projection means.
  • Figure 4 depicts an example of an interferometer 45 comprising a bimodal waveguide 40 deposited on a substrate 48.
  • the bimodal waveguide 40 comprises a sensor plate 41, in which an analyte can be deposited.
  • the light is coupled to the bimodal waveguide 40 via a diffraction network coupler 42, mounted or integrated in the bimodal waveguide 40.
  • the fundamental order modes and are first excited by light beams (eg laser) coming from from a single source (not shown in Figure 4), and are directed to the diffraction network coupling 42 towards different angles of incidence ⁇ or ⁇ i, corresponding to the point where the phases in each mode coincide. Both modes are diffracted by the diffraction network coupling 42 and propagated through the bimodal waveguide.
  • the sensitivity is directly proportional to the length of the sensor plate or that of the bimodal waveguide.
  • the sensitivity of the device of Figure 2b is analyzed. If the transfer matrix approach is used, light intensity distributions are created for each mode of a waveguide, with a refractive index 2.0 (silicon nitride) on a silicon substrate (refractive index 1 , 46), and a variable refractive index of the coating layer. Then, the pattern distributions of interference located at the output of the waveguide and the corresponding signals generated by the sections of the photodetector, are calculated as a function of the phase change between the modes. The signals produced by the photodetector sections are recalculated, as relative change, S r , of the output signal according to the expression:
  • U up , Udown are the signals generated by the lower and upper sections of the photodetector respectively.
  • the results of the simulations (Sr vs. phase change) are presented in Figure 8. All calculations were performed for a 632.8 nm waveguide. The amplitudes of the modes were previously normalized to the
  • the sensitivity of the device that is, the relationship between the change that occurs in the output signal and The change that occurs in the index of refraction of the coating is expressed with the formula:
  • phase difference caused by a change in the refractive index of the coating after a distance L is expressed as follows:
  • L is the length of the sensor plate
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ n e ° ff it is the change of the effective refractive index, of the zero and first order modes respectively, due to the changes given the refractive index of the coating.
  • the index of refraction of the coating affects differently the propagation constants nff of fundamental order modes and First. Derivatives
  • - -, - - are represented in Figure 9 as a function of the refractive index dn cl dn cl of the coating.
  • the curved lines correspond to the fundamental mode and the solid lines to the first mode.
  • the thickness of the waveguide corresponds to: ⁇ -300 nm, or -350 nm, ⁇ -420 nm, v-470 nm.
  • the penetration of the modes is inversely proportional to the thickness of the waveguide and directly proportional to an c ⁇ .
  • the propagation record of the first order mode is greatly affected by the changes in the refractive index of the coating.
  • the difference between the derivatives is especially significant, then the sensitivity is higher in the thin waveguides.
  • the sensitivity can be three times higher than in a 470 nm waveguide.
  • the Sens sensitivity calculated by means of the expression (4), is indicated against the refractive index of the coating layer for four waveguide thicknesses: ⁇ -300 nm, or-350 nm, ⁇ -420 nm , v - 470 nm.
  • Sensitivity is the change in the output signal per unit of change in the refractive index of the coating. The calculations were made taking as reference a waveguide of 10 mm long. This parameter defines the base noise level allowed in the detection circuit system to distinguish changes in the interference pattern. When working with waveguides of less than 400 nm, it is observed that an accuracy of 1% is sufficient to read the output signal.
  • the sensitivity of the proposed device is comparable to the sensitivity of the IMZ manufactured with silicon technology.
  • a silicon wafer, polished on one side, is subjected to oxidation at high temperatures.
  • a layer of silicon dioxide about 2 ⁇ m thick is formed on both sides of the wafer (the part where the components are placed, forming the waveguide, and the back), as a result of this process.
  • a layer of silicon nitride about 400 nm thick is deposited by
  • LPCVD on the part of the components and the back, as a result of this procedure.
  • the waveguides are printed on the front by conventional photolithography and a wet etch in buffered hydrofluoric acid (HF).
  • HF buffered hydrofluoric acid
  • the photoresistance is removed with oxygen plasma.
  • the wafer is immersed in HF for a period sufficient to remove the silicon dioxide mask and so that in turn, roughness forms in the silicon nitride.
  • Selective engraving is used (the thickness of the PECVD oxide is selected that is proportional to the height of the rib.
  • the engraving selectivity (silicon nitride) is approximately 1000/14, if the engraving is done with a SiO- solution etch (similar to HF10%) .
  • This technology allows the manufacture of rib waveguides, with a height of about 4nm and a thickness of about 4 ⁇ m.
  • the waveguide can support two transverse modes. It is, therefore, bimodal with a fundamental order and a first order mode
  • a silicon layer is deposited on the part of the components as a protective layer
  • a sensing plate is formed on the surface of the waveguide, by means of a standard photlithography and an engraving wet in a SiO-etch solution.
  • a 3 ⁇ m waveguide was used that supported a lateral direction mode.
  • the wafer was sectioned into chips and these were polished so that the sides of the waveguide ends were polished.
  • the chip was mounted on an aluminum base covered with a polymethyl acrylate microfluidic (PMMA) connector, provided with a channel for that the reagent flow through the waveguide.
  • the length of the sensor plate L was 3 mm.
  • a biosensor based on an optical bimodal waveguide according to the invention is described below. Experiments on the detection of changes in the refractive index of the reagent were performed by water injection: a solution of glycerin in the channel.
  • a schematic view of the experimental setup is shown in Figure 11.
  • a peristaltic pump supplied the fluid.
  • the light was injected into the waveguide 20 'by an objective lens 52, focused on a beam from a He-Ne 4' laser. In this case, it is a 10 mW HeNe laser, which comprises a beam splitter. A slight misalignment of the lens with respect to the waveguide in the vertical direction allows both modes to be excited simultaneously.
  • Another objective lens 29 'captured the light and the image of the waveguide facet was projected on the TSP 27'. The signal was stabilized while the deionized water passed through the sensor plate 51.
  • the valve 53 is used to direct the flow, with or without reagent, to a channel that passes through the microfluidic cell located in the sensor plate 51.
  • the present invention constitutes a method for detecting the introduction of changes (eg the amount or concentration of a stimulus) in a given chemical, biological or physical stimulus in a localized environment.
  • the method comprises the following steps, carried out in a bimodal optical waveguide interferometer as shown in figures la, Ib and Ic:
  • step (e) comprises: (el) generating a pattern of interference bands; and (e2) measure the displacement in the interference pattern.
  • step (f) comprises:

Abstract

Interferómetro de guías de onda planas (15, 25, 35, 45) que comprende: un sustrato (8, 28, 38, 48); una guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) que a su vez comprende al menos una capa (1, 2, 3) depositada en dicho sustrato (8, 28, 38, 48), dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) está diseñada para soportar un modo transversal de propagación de orden cero y otro de orden primero, dichos modos transversales de propagación poseen diferente dispersión; una placa sensora (21, 31, 41, 51) situada en una zona concreta de la parte superior de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40), dicha placa sensora (21, 31, 41, 51) está diseñada para recibir un estímulo químico, biológico o físico, dicho estímulo es capaz cambiar el índice de refracción efectivo de la guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40). La guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) comprende medios (9) diseñados para confinar la luz en dirección lateral, la guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) está, por tanto, diseñada para soportar un modo lateral. Se presentan un chip, sensor y método de detección que comprenden un interferómetro de guías de onda plana.

Description

INTERFERÓMETRO Y SENSOR BASADOS EN GUÍAS DE ONDAS ÓPTICAS BIMODALES Y MÉTODO DE DETECCIÓN
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a interferómetros y sensores basados en guías de onda, más concretamente, a interferómetros y sensores basados en guías de onda ópticas bimodales.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La detección de una molécula, ej: proteína, glucosa o la unión entre moléculas es un tema conocido. La cantidad de reactivo o la concentración de moléculas presente en una solución puede ser baja y son necesarios dispositivos altamente sensibles para la detección de éstas. La detección puede dirigirse utilizando varios métodos y técnicas. Existen diversos dispositivos nanomecánicos y ópticos, tales como los interferómetros
Mach-Zhender, la Resonancia de Plasmen Superficial, los interferómetros Young, los interferómetros Fabry-Perot y los interferómetros tipo slab. Los interferómetros Mach- Zhender y Young son dispositivos compactos basados en guías de onda óptica, conocidos desde hace mucho tiempo y que se han estudiado en profundidad. Actualmente éstas técnicas se cuentan entre las más precisas en el campo de la detección biomolecular, porque la simplicidad de las estructuras planas robutas confiere una ventaja en procedimientos de inmovilización relativamente simples. Los métodos y protocolos desarrollados permiten la unión de moléculas sin etiqueta. Esto hace que los experimentos sean menos laboriosos y más repetibles, pues etiquetar podía inducir a error, al interferir en los resultados. Los interferómetros suelen tener dos brazos, cuando el interferómetro actúa como un sensor y uno de ellos posee una placa sensora, mientras que el otro es una referencia. El reactivo, que fluye a través de la placa sensora, interactúa con las moléculas previamente inmovilizadas por las guías de onda situadas en la zona. Esto modifica el índice de refracción del revestimiento de la guía de onda y por consiguiente la velocidad de propagación de la luz por ésta. Como consecuencia, se produce un cambio de las fases de las ondas de luz que se propagan por ambos brazos. Al mezclar éstas ondas se obtienen resultados distintos, dependiendo del tipo de interferómetro: un patrón de interferencia en el caso del interferómetro Young y una variación en la señal del canal de salida en el caso del Mach-Zhender.
Sin embargo, los interferómetros de dos brazos tienen el inconveniente de no dividir la luz adecuadamente. Si hubiera defectos de fabricación, la simetría crítica de la intersección Y hace más probable que el interferómetro posea una profundidad de modulación reducida y pérdidas de sensibilidad.
Además, una sensibilidad alta sólo se obtiene en guías de onda relativamente delgadas. La sensibilidad viene definida por el nivel de penetración del campo evanescente de la guía de onda en el analito, en combinación con la misma, es decir, en el analito que está en contacto con la guía de onda. El nivel de penetración aumenta significativamente si disminuye el grosor de la guía de onda. Esto entraña complicaciones a la hora de acoplar la luz, debido al desajuste entre la distribución de intensidad en el modo de propagación de la guía de onda en guías de onda delgadas, y la distribución de intensidad de una fuente de luz convencional. El ajuste inicial de cambio de fases entre las ondas luz que interfieren requiere esfuerzos tecnológicos e ingenieriles adicionales.
Los problemas mencionados anteriormente pueden ser en parte resueltos mediante el uso de interferómetros de guía de onda bimodales. Un ejemplo de dispositivo que opera gracias a la interferencia de dos modos de propagación es la solicitud de patente japonesa JP2004145246. Este dispositivo consiste en una guía de onda monomodo, seguida de otra bimodal, a su vez seguida de una tercera guía de onda monomodo.
El principio operativo de la estructura descrita en JP2004145246 se basa en la interferencia de dos modos de propagación en una guía de onda bimodal plana, mostrada en la figura 5. Aunque la estructura física es tridimensional, en lo tocante a sus propiedades es bidimensional: En dirección longitudinal (consta como eje X en la figura 5), que es dirección en la que se propaga la luz, la estructura posee un escalón o costilla 500 que determina un cambio de grosor a lo largo del eje longitudinal. En dirección transversal (consta como eje Y en la figura 5), las propiedades (ej. índice de refracción) de los materiales de la guía de ondas cambia. En dirección lateral (consta eje Z en la figura 5), la estructura de guía de onda es uniforme, ya que sus propiedades no cambian a lo largo de la misma. La estructura es, por tanto, bidimensional (desde el punto de vista de la propagación posee una dimensión longitudinal y otra transversal). Sin embargo, la dimensión del dispositivo de JP2004145246 no posibilita la fabricación de interferómetros largos y estrechos, capaces de detectar cambios mínimos en el índice de refracción del revestimiento.
Otro ejemplo de dispositivo que opera con la interferencia de modos de propagación es el de G. Coppola et al. en "Temperature Optical Sensor Based on all
Silicon Bimodal Waveguide", en el cual los modos laterales contribuyen a generar el patrón de interferencia. Este dispositivo puede elaborarse utilizando una fotolitografía convencional.
No obstante, el control preciso de la geometría del interferómetro en dirección lateral es muy necesario para implementar el dispositivo adecuadamente. La obtención de dicho control es compleja por medio de tecnologías microelectrónicas convencionales.
De hecho, la arquitectura de los dispositivos en JP2004145246 y G. Coppola et al. implica una estructura de guía de onda secuencial, diseñada para excitar los modos y para leer la señal de interferencia. Esto produce limitaciones en la sensibilidad de los dispositivos y la versatilidad de los mismos.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se centra en estructuras de guía de onda bimodales en las que el retardo de fase relativo entre los dos modos de propagación se acumula cuando está sujeto a un cambio estructural. Asimismo, la presente invención está relacionada con un interferómetro de guías de onda ópticas que comprende una guía de onda bimodal, en la que la dispersión de los modos de propagación es sensible al orden.
Un aspecto de la invención se refiere a un interferómetro de guía de onda plana que comprende un sustrato; un guía de onda bimodal, que comprende al menos una capa depositada sobre el sustrato, la guía de onda bimodal diseñada para soportar modos de propagación transversales de orden cero y primero. La dispersión de los modos de propagación transversales es diferente; una placa sensora situada en una zona concreta de la parte superior de la guía de onda bimodal, la placa sensora diseñada para recibir un estímulo de entrada químico, biológico o físico. Este estímulo es capaz de modificar el índice de refracción efectivo de la guía de onda bimodal. La guía de onda bimodal comprende medios de confinamiento diseñados para confinar la luz en dirección lateral, la guía de onda bimodal diseñada, por tanto, para soportar un modo lateral. El interferómetro preferiblemente comprende una fuente de radiación electromagnética configurada para guiar la luz en la guía de onda bimodal. Dicha fuente es más preferiblemente un láser.
Cabe la opción de que dicha fuente esté integrada en la estructura del sustrato. En una determinada realización, el interferómetro comprende medios de polarización
Como opción, el interferómetro comprende medios de enfoque. En una determinada realización el medio de enfoque es una lente. En esta situación, el eje central de la lente esta configurado para desalinearse en dirección transversal con respecto a la simetría longitudinal del eje de la guía de onda bimodal. De forma que, los modos de propagación primero y segundo se excitan dentro de la guía de onda bimodal, cuando la luz de la fuente se enfoca directamente en dicha lente hacia la guía de onda bimodal.
En una realización determinada, el interferómetro comprende una guía de onda de entrada conectada a un extremo de la guía de onda bimodal, ésta guía de onda de entrada está diseñada para soportar un monomodo en dirección transversal y lateral; y una guía de onda de salida en el otro extremo de la guía de onda bimodal, ésta guía de onda de salida está diseñada para soportar un monomodo en dirección transversal y lateral. El grosor de cada una de las guías de onda de entrada y de salida es menor que el grosor de la guía de onda bimodal, debido a la geometría asimétrica de la estructura en la intersección de la guía de onda de entrada y la guía de onda bimodal, el monomodo se divide en el primer y segundo modo de propagación. Como opción, el interferómetro comprende medios para acoplar radiación electromagnética a la guía de onda bimodal, estos medios seleccionados entre: alineamiento directo de fibra-guía, enfoque directo, acoplamiento por prisma y acoplamiento por red de difracción. La cantidad de luz transmitida a la guía de onda de salida depende de distribución de intensidad de dicha luz cuando se encuentra en la intersección de la guía de onda bimodal y la guía de onda de salida.
En otra realización, el interferómetro comprende medios de acoplamiento configurados para acoplarse a la guía de onda bimodal y a los modos de luz de orden primero y segundo con diferentes ángulos de incidencia. Como opción, el medio de acoplamiento es una red de difracción acoplada a una entrada de la guía de onda bimodal. Preferiblemente, la guía de onda bimodal comprende al menos dos capas; en este caso, cada una de las capas les corresponden distintos índices de refracción. El índice de refracción de la segunda capa es más bajo que el la segunda.
Los índices de refracción efectivos del modo de orden cero y de orden primero son sustancialmente diferentes. Esta diferencia de dispersión de los modos de propagación transversales depende de la velocidad registrada en los parámetros de la guía de onda.
Como opción, el interferómetro comprende dispositivos de detección para medir cambios de intensidad de radiación en la salida de la guía onda, provocados por el estímulo de entrada. En una realización determinada, el medio de detección es un fotodetector de dos secciones.
Otro aspecto de la invención se refiere a un chip que comprende al menos un interferómetro de guía de onda óptica plana, como el anteriormente mencionado.
Otro aspecto de la invención se refiere a un sensor que comprende un interferómetro de guía de onda óptica plana, como el anteriormente mencionado.
Finalmente, la presente invención está relacionada con un procedimiento de detección que comprende los siguientes pasos: (a) definir una placa sensora en una zona determinada de una guía de onda bimodal de interferómetro de guía de onda bimodal óptica;(b) colocar un estímulo químico, biológico o físico en la placa sensora; (c)introducir o causar de cambios en el estímulo; (d) acoplar un modo de orden cero y un modo de orden primero de radiación electromagnética en la guía de onda bimodal, de forma que cuando ambos modos viajan a través de de la placa sensora definida en la guía de onda bimodal, sufren un retardo de fase que depende de los cambios del estímulo; (d)acoplar los modos de orden primero y segundo de radiación electromagnética dentro de la guía de onda bimodal, de forma que cuando ambos modos atraviesan la placa definida en la guía de onda bimodal, se produce un retardo de las fases que depende del los cambios del estímulo; (e) medir respuesta de la orden cero con respecto a la respuesta de la orden primero, en la salida de la guía de onda bimodal; y (f) relacionar las respuestas relativas de ambos modos a los cambios producidos en el estímulo.
Preferiblemente, el paso de medición de respuesta del modo de orden cero con respecto al de orden primero comprende: la generación de franja de patrón de interferencia; y la medición del desplazamiento del patrón de interferencia. Además, el paso de relacionar las respuestas relativas de ambos modos con los cambios dados estímulo comprende el relacionar el desplazamiento del patrón de interferencia con la presencia de cambios en el estímulo determinado.
Las ventajas de la invención propuesta se representarán en la siguiente descripción.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción y facilitar la entendimiento de la invención, se adjunta una serie de dibujos. Tales dibujos constituyen una parte integral de la descripción e ilustran una realización preferida de la invención, que no debe interpretarse de forma restrictiva con respecto al ámbito de la invención, sino como ejemplo de cómo puede realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
Las figuras la a Ic son representaciones esquemáticas de interferómetros ópticos de guía de onda bimodal que corresponden a la presente invención.
La figura Id es un ejemplo de la distribución de intensidad de los modos de propagación en dirección transversal en un interferómetro óptico de guía de onda bimodal correspondiente la presente invención.
La figura 2a es un ejemplo de un interferómetro y sensor correspondientes a la presente invención.
La figura 2b muestra una implementación del ejemplo de la figura 2a.
La figura 3 es un ejemplo de un interferómetro y sensor correspondientes a la presente invención.
La figura 4 es un ejemplo de un interferómetro y sensor correspondientes a la presente invención.
La figura 5 muestra una guía de onda plana bidimensional correspondiente al estado de la técnica anterior.
Las figuras 6 y 7 representan una guía de onda, para ejemplificar los significados de "transversal" y "lateral", correspondientes a las explicaciones de la presente invención.
La figura 8 muestra dos simulaciones de señales detectadas en la salida de un interferómetro de la invención. La figura 9 muestra una simulación, correspondiente a la invención, de cómo el índice refractivo del revestimiento influye en las constantes de propagación de los dos modos.
La figura 10 representa, de forma comparativa, la sensibilidad e índice de refracción del revestimiento correspondientes a la invención.
La figura 11 muestra una vista esquemática de un montaje experimental de un sensor correspondiente a la invención.
Las figuras 12a y 12b muestran la respuesta del sensor de la figura 11 en condiciones distintas.
DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS DE LAS INVENCIÓN
En el contexto de la presente invención deberán tenerse en cuenta los siguientes dibujos:
Como muestra la figura 6, un "modo transversal" de un haz de luz de radiación electromagnética es un patrón de intensidad de radiación determinado, que se mide a lo largo de una recta formada por un plano (plano 1 o plano YOZ), perpendicular a la dirección de propagación del haz de luz y un plano (plano 2 o plano XOY) perpendicular a una estructura de guía de onda y que transcurre en la dirección de propagación. En el contexto de la presente invención, el término "vertical" se considera sinónimo de "transversal".
Como muestra la figura 7, un "modo lateral" de un haz de luz de radiación electromagnética es un patrón de intensidad de radiación determinado, que se mide a lo largo de una recta formada por un plano (plano 1 o plano YOZ) perpendicular a la dirección de propagación del haz de luz y a un plano (plano 3 o plano XOZ), también perpendicular a la estructura de guía de onda, y que transcurre en la dirección de la propagación. En el contexto de la presente invención, el término "horizontal" se considera sinónimo de "lateral".
Los modos transversales y laterales pueden clasificarse en modos TE (transversales eléctricos) y modos TM (transversales magnéticos). Los modos TE son aquellos que carecen de campo eléctrico en la dirección de propagación, mientras que los modos TM son aquéllos que carecen de campo magnético en la dirección de propagación. La "dispersión" de un modo de guía de onda es una dependencia de la velocidad de propagación de dicho modo, registrada en los parámetros de la guía de onda y las capas que lo rodean.
Se entiende por "analito" cualquier solución que contenga una sustancia susceptible de ser detectada por el interferómetro y el sensor de la presente invención.
La implementación de la presente invención puede ejecutarse de la siguiente forma:
La figura la muestra un dibujo esquemático de una guía de onda 10 que soporta dos modos de la presente invención. Los dos modos que la guía de onda 10 es capaz de soportar son transversales (TE o TM): un modo TE o TM fundamental y un modo TE o
TM de orden primero. Aunque puede optarse por dos modos laterales, para evitar las desventajas anteriormente mencionadas y derivadas de estructuras que confinen dos modos laterales, se elige y diseña una estructura que confina dos modos transversales.
Esta guía de onda óptica 10 actúa como un interferómetro. La guía de onda óptica 10 comprende al menos una capa 2 de material ópticamente transparente depositado a modo de lámina sobre el sustrato 8. Preferiblemente, la guía de onda 10 comprende varias capas 1 2 3 de material ópticamente transparente, depositado de forma wafer en el sustrato 8. El índice de refracción de la capa 2 es mayor que el de las capas adyacentes 1 y 3. Por tanto, la guía de onda óptica 10 es una guía de onda óptica tipo slab. La guía de onda puede tener una sola capa: Una capa 1 sobre el sustrato es suficiente, pues, como se explica posteriormente, un analito depositado en la capa superior (que puede ser la única) forma también una capa (de revestimiento) situada encima de la guía de onda óptica 10. Por tanto, se cumple el principio operativo del interferómetro según el cual la luz viaja por una estructura que posee zonas de diferente índice de refracción, esas dos zonas son la guía de onda 10 monocapa (soportada en el sustrato 8) y el analito o capa de revestimiento depositada también ahí. Preferiblemente se utilizan varias capas 1 2 3 para optimizar la estructura.
La guía de onda 10 comprende medios de confinamiento capaces de confinar la luz en dirección lateral. Gracias a estos medios de confinamiento 9, la guía de onda puede soportar al menos un modo lateral.
Cabe subrayar, que en una situación ideal con una guía de onda perfecta y en la que se dé el confinamiento en dirección transversal, un haz de luz con una distribución lateral relativamente gruesa (de un milímetro aproximadamente, por ejemplo) se propagaría de forma sustancial sin divergencia. Esto significa que tras haberse propagado de forma transversal varios milímetros, el haz de de luz mantendría el mismo grosor por 1 mm. En éste caso no se necesitarían estructuras como la costilla o la guía. Sin embargo, los haces de luz gruesos hacen la guía de onda voluminosa e ineficaz a la hora de integrar muchas guías de onda en un array en el mismo chip. En los haces de luz delgados (con un grosor de menos de 100 μm) que se propagan a través de esas guías de onda, estos acaban siendo muy divergentes, es decir, tras propagarse de forma transversal unos milímetros, el haz de luz diverge y se expande varios milímetros en dirección lateral; lo que hace que es dispositivo sea ineficaz. En otras palabras, en la práctica, una operación monomodo en dirección lateral es extremadamente difícil cuando se utiliza una estructura plana simple. Asimismo, cuanto más larga es la guía de onda, más difícil es mantener una operación monomodo en dirección lateral. Por ello, los medios de confinamiento tipo costillas, guías etc. son necesarios.
La operación monomodo en dirección lateral facilita además el modelaje del interferómetro cuando actúa como un sensor, y hace predecible su comportamiento.
Algunos ejemplos no restrictivos de medios de confinamiento 9 son una costilla, guía o un gradiente. Así, son apropiadas las siguientes guías de onda: tipo costilla, guía, gradiente u otras estructuras de guía de onda. La guía de onda 10 permite, por tanto, la propagación de radiación electromagnética incidente en la dirección descrita por la longitud de la guía de onda 10, es decir, en la dirección representada por flecha que sale de la fuente óptica 4. La guía de onda 10 es preferiblemente rectangular, para que los modos queden confinados transversal y lateralmente. El hecho de ser rectangular no significa que en el plano perpendicular a la dirección de propagación posea necesariamente un perfil rectangular. Por el contrario, la sección transversal de la guía de onda puede tener un pequeño escalón y formar una estructura de guía de onda tipo costilla.
En una realización particular, la guía de onda 10 es una guía de onda tipo costilla, representada en la figura la; donde se aprecia también que la guía de onda comprende una costilla 9 en dirección lateral (según el esquema de la figura 5) Ésta costilla 9 implica que el grosor de la guía de onda 10 varía a lo largo de dicha dirección lateral. La figura Ib muestra otra vista de la misma guía de onda 10, de costilla 9. La referencia 19 de la figura Ic representa otro tipo de guía de onda 10. En la figura Ib, se muestran las tres direcciones de propagación: dirección longitudinal X, (que es la dirección de propagación de la luz), dirección transversal Y, y dirección lateral Z.
Como se puede apreciar, la estructura de la presente invención es homogénea en cuanto a la dirección de la propagación de la luz, mientras que la estructura descrita en JP2004145246 es homogénea o uniforme en dirección lateral.
Aunque no se muestra en las figuras Ia-Ic, la estructura comprende una placa o área sensora que se forma en una superficie de la guía de onda mediante una fotolitografía estándar y un grabado húmedo. Esta placa sensora se representa en las figuras 2 a 4. Una de las ventajas de esta estructura en 2D es que la guía de onda confina una luz monomodo (por tanto, es capaz de propagar luz) a lo largo de varios centímetros sin que la luz sea divergente en dirección lateral. Es necesaria una operación monomdo en dirección lateral, por las siguientes razones: primero, porque cuando la guía de onda se usa como interferómetro o como sensor, sirve para evitar ambigüedades en el control del patrón de interferencia, que se crea en el extremo de la guía de onda. Segundo, porque las guías de onda delgadas, que solo se pueden implantar mediante dos estructuras de dos dimensiones (ej. tipo costilla, guía, etc.) permiten secuenciar el área sensora a una fracción de milímetro. El área sensora puede variar de unos 0,05 a 1 mm aproximadamente. Como ejemplo, una guía de onda de 0,01 mm de grosor y 15 mm de largo posee un área de 0,15 mm2.
La sensibilidad es de gran importancia en la presente invención. La estructura ha de ser lo suficientemente larga para operar como un interferómetro de guía de onda, pues su sensibilidad es proporcional a la longitud de la placa o área sensora o a la longitud de la guía de onda bimodal. Por consiguiente, la longitud de la estructura está preferiblemente en un rango de entre 0,5 y 5 cm aproximadamente.
La figura Ic muestra cómo la guía de onda 10, formada por una guía de onda 10, constituida por una guía de onda implementada, puede ser diseñada por implementación. La referencia 18 representa el área donde se implanta la guía de onda 19. El índice de refracción cambia en este área 18. Dicha guía de onda sufre un cambio espacial con respecto al índice de refracción en dirección transversal y lateral, mientras que geométricamente continúa siendo una estructura tipo slab plana.
La luz de una fuente 4 puede transmitirse al extremo de entrada de la guía de onda 10, como si fuera a iluminar la capa 2. Preferiblemente, la fuente de luz 4 proporciona luz que posee una longitud de onda que cae dentro el rango infrarrojo visible o próxima al mismo; dicho rango es de entre 400 y 1600 nm aproximadamente. La fuente de luz 4 es preferiblemente un láser.
Por tanto, los dos modos de propagación transversales están igualmente excitados y viajan a lo largo de la guía de onda 10, acumulando una diferencia en el retardo de las fases. En el extremo de salida 6 de la guía de onda 10, la luz puede radiar de la superficie del extremo a una pantalla o dispositivo de medida 7. La distribución de intensidad representa el retardo de fase relativo acumulado. Los detectores, tales como uno o más de uno fotodiodo, son ejemplos no restrictivos de dispositivos de medición. Si se utiliza más de un fotodiodo, se disponen en array, como un array bidimensional de fotodiodos o una cámara CCD.
Los elementos descritos ya descritos y representados en la figura la forman un interferómetro de guía de onda óptica plana 15.
Los dos modos transversales son capaces de exhibir una respuesta relativa medible ante un cambio en la longitud de onda de radiación electromagnética incidente o en un entorno localizado. Si el índice de refracción de la capa 1 cambia localmente, se acumula un retardo de fase distinto y la distribución de intensidad se ve modificada de forma correspondiente. Los modos de guía de onda óptica transversales poseen un campo eléctrico, distribuido entre las capas 1 2 3, y en algunos casos a través del sustrato 8 de la estructura de guía de onda 10. La cantidad relativa de energía contenida en las capas 1 2 3 determina el "índice de refracción efectivo" del modo de la guía de onda. A su vez, el índice efectivo de refracción de un modo determina la velocidad propagación de ese modo y, por tanto, cuánto retardo de fase puede acumularse a medida que el modo viaja a través de la guía de onda 10. Si el índice de refracción de la capa 1 2 3 cambia, la distribución de campo también cambia, y como resultado se produce un cambio en el índice de refracción efectivo. Si las propiedades de dispersión de los modos son distintas puede haber un gran cambio en el índice de refracción efectivo. Las constantes de propagación para los modos de orden fundamental y primero dependen del índice de refracción de la capa superior o de revestimiento. Como se ha ya mencionado, cuando la guía de onda óptica actúa como un interferómetro y un analito se deposita sobre la capa superior 1, dicho analito actúa como capa de revestimiento. En otras palabras, es necesario que la dispersión (es decir, la dependencia de las constantes de propagación en el índice de refracción) sea distinta para cada modo. El patrón de interferencia de ambos modos en el extremo de la guía de onda depende del índice de refracción de las capas combinadas y, por consiguiente, del índice de refracción de la solución del analito.
La figura Id es un ejemplo de la distribución de intensidad de los modos de propagación en dirección transversal. La distancia en dirección transversal viene indicada en el eje X, en nm. La intensidad normalizada del campo eléctrico viene indicada en el eje Y (la magnitud no es tan importante como la respuesta o la forma). En la figura Id, la referencia 11 representa la distribución de intensidad del modo fundamental y las referencias 12 y 13 la distribución de intensidad del modo de orden primero. Como puede verse en la figura Id, el efecto de dispersión viene dado por la marcada diferencia entre las distribuciones de energía de ambos modos
La estructura de guía de onda óptica 10, que forma un interferómetro óptico puede fabricarse de forma más ventajosa utilizando cualquier combinación adecuada de materiales habituales. Algunos ejemplos de métodos convencionales de elaboración son los basados en la Deposición Química en fase de Vapor (CVD), como la Deposición
Química en fase Vapor Asistida por Plasma (PECVD) o Sistema de Deposición de Capas (LPCVD)
La Deposición Química en fase de Vapor (CVD), es un procedimiento químico utilizado para producir materiales sólidos de gran rendimiento y pureza, como capas delgadas. En un procedimiento CVD típico, la lámina (sustrato) se expone a uno o varios precursores volátiles, que reaccionan y/o se descomponen en la superficie del sustrato para producir el depósito deseado. En los procedimientos de microfabricación se utiliza comúnmente la CVD para depositar materiales de varias formas, entre ellas, monocristalino, policristalino, amorfo y epitaxial. Entre éstos materiales se cuentan: silicio, fibra de carbono, filamentos, nanotubos de carbono, SiO2, silicio-germanio , wolframio, carburo de silicio, nitruro de silicio, oxinitruro de silicio, nitruro de titanio, y varios dieléctricos de alto k.
Por ejemplo, el índice de refracción de una guía de onda óptica de oxinitruro de silicio de grosor constante (normalmente en un rango de entre 0,3 y 0,5 mieras) podría seleccionarse en cualquier valor del rango de entre 1, 457 y 2,00. Preferiblemente, el primer y segundo modo de guía de onda pueden exhibir una respuesta relativa medible ante un cambio dado en un entorno localizado, causado por cambios introducidos en el estímulo físico, biológico y/o químico determinado. La causa de esta respuesta es el campo evanescente de los modos, que se extienden por el entorno localizado. Un ejemplo de introducción de un cambio en un estímulo es un cambio en el índice de refracción del material (ej. analito), situado en ese entorno. A consecuencia de ese cambio los modos primero y segundo de las guías de onda acumulan diferente retardo de fase relativo, produciéndose así una respuesta relativa medible. Significa que el interf eró metro de guía de onda óptica plana 15 puede utilizarse de forma provechosa para detectar la presencia de cambios en un estímulo físico, biológico o químico, de un analito que haya sido introducido en un entorno localizado. De este modo el interferómetro de guías de onda óptica se convierte en un sensor químico interferométrico de guía de ondas o en un sensor basado en guía de onda óptica. Algunos ejemplos no restrictivos de la interacción del estímulo con los modos de guía de onda son: interacción de enlace, interacción de absorción u otras interacciones. Por ejemplo, un analito en fase líquida o gaseosa que comprende un estímulo químico, puede ser introducido en el entorno localizado del interferómetro de guía de onda óptica. Como alternativa, en dicho entorno puede darse una reacción química, que produzca cambios en tal entorno, que afecten a la naturaleza del estímulo químico in situ y causen un cambio en dicho entorno.
El entorno localizado, también denominado capa o placa sensora, es preferiblemente un área o superficie de la capa superior 1 de la guía de onda óptica 10 (no mostrada en las figuras Ia-Ic). Esta capa sensora puede comprender materiales absorbentes o bioactivos. Algunos ejemplos no restrictivos de materiales absorbentes son los materiales polímeros, como el polixilosano o los polímeros impresos. Un material absorbente puede absorber gases, líquidos o vapores que comprendan un estímulo químico concreto. Algunos ejemplos no restrictivos de materiales bioactivos son los aquellos comprenden anticuerpos monoclonales y policlonales, enzimas, fragmentos de ADN, ARN, aptámeros, APN, proteínas funcionales o células enteras. Un material bioactivo puede ser apropiado para ser detectado en fase líquida o gaseosa.
Dentro de la guía de onda bimodal 10 (que actúa como un interferómetro) se genera un patrón de interferencia cuando la radiación electromagnética se propaga por la guía de onda 10. Los cambios ya mencionados, dados en un estímulo situado en el entorno localizado o placa sensora, o un cambio dado en la longitud de onda pueden calcularse por medio del cambio de fase relativa del patrón de interferencia. El desplazamiento de franjas en el patrón de interferencia representa la respuesta medible a dicho cambio. El cambio de fase relativa que se produce dentro del interferómetro puede calcularse midiendo dicho desplazamiento de franjas. En la salida 6 de la guía de onda 10, la radiación electromagnética se acopla en el espacio libre. Por tanto, el patrón de interferencia se puede registrar de forma convencional (por ejemplo, usando un sólo detector 7 que mida los cambios en la intensidad de la radiación o varios de esos detectores 7 , que controlen los cambios dados en una serie de franjas, o en todo el patrón de interferencia). Esos detectores 7 son preferiblemente uno o varios fotodetectores y al utilizar más de uno, se disponen en un array, como un array de fotodiodos de dos dimensiones.
Como muestra la figura la, la luz de la fuente 4 se enfoca en el extremo de entrada 5 de la guía de onda 10 y se propaga en forma de radiación electromagnética, la cual se puede acoplar en los modos primero y segundo de guía de onda de distintas formas.
En una realización particular, la radiación se acopla de forma simple a la guía de onda 10 por medio del extremo de una cara 5 de dicha guía de onda 10. Esto se conoce también como "procedimiento tipo end-fire". En este caso, la fuente de luz (ej. láser) está integrada en una estructura laminada 1 2 3, en el sustrato común 8. Algunos ejemplos no restrictivos de sustrato 8 son los sustratos de silicio y de fosfato de indio.
Como alternativa, el interferómetro 15 comprende otros medios de acoplamiento para acoplar la radiación electromagnética incidente a los modos de guía de onda primero (fundamental) y segundo (de orden primero), de la guía de onda 10. Este acoplamiento de ambos modos se hace, sustancialmente, de forma simultánea. Algunos ejemplos no restrictivos de medios de acoplamiento, aparte del "end-fire", son enfoque directo (por ejemplo, con un láser HeNe), acoplamiento por prisma, acoplamiento por red de difracción o acoplamiento por espejo. Como opción, la luz incidente o radiación electromagnética puede orientarse (ej. polarizada linealmente) como convenga utilizando medios de polarización apropiados. Algunos ejemplos no restrictivos de tales medios son cubos divisores de haz por polarización, polarizadores lineales y polarizadores de rejilla. Como opción, la luz incidente o la radiación electromagnética puede enfocarse utilizando medios de enfoque. Algunos ejemplos no restrictivos de tales medios son: una lente, una micro-lente y un sistema óptico que comprenda una serie de lentes.
Como opción, el patrón de radiación electromagnética puede proyectarse hacia el detector mencionado anteriormente con medios de proyección. Algunos ejemplos no restrictivos de tales medios son las lentes objetivo, las lentes y la proyección directa sobre fotodetector multisección.
A continuación, se describen algunos ejemplos de interferómetros basados en guías de onda bimodales y sensores basados en interferómetros. La figura 2 muestra un ejemplo de interferómetro 25 que comprende una guía de onda bimodal 20, a su vez formada por una o varias capas, como muestran las figuras la, Ib y Ic. En su superficie superior, la guía de onda 20 comprende una placa sensora 21, donde puede depositarse el analito. Los modos de guía de onda (de orden fundamental y primero) se excitan en la guía de onda 20 gracias al enfoque directo de la luz procedente de un láser (no se muestra en la figura 2) por medio de una lente objetivo 22. Una estructura no se considera simétrica en dirección transversal, si la distribución del índice de refracción a través de dicha estructura y en dicha dirección no es simétrica con respecto al eje de simetría de la estructura. El eje de simetría de la estructura transcurre en la dirección de propagación de la luz y cruza el plano perpendicular en la dirección de propagación de la luz, en un punto donde se encuentra la distribución de intensidad máxima del campo electromagnético de un modo fundamental transversal. Por tanto, la estructura de la figura 5 no es simétrica. Como la estructura es asimétrica el eje central de la lente objetivo puede desalinearse en dirección transversal con respecto al eje de simetría de la capa de la guía de onda, se excitan tanto el modo de orden cero (fundamental), como el de orden primero. Los dos modos transversales se propagan a distintas velocidades y pasan por la placa sensora 21. El patrón de interferencia que se forma en el extremo de salida 16 de la guía 20 se proyecta en un fotodetector de dos secciones (TSP) 27, se utiliza una lente objetivo 29 como medio de proyección y amplificación. La posición del máximo del patrón de interferencia viene definida, además de por parámetros como el índice de refracción, el grosor de cada capa y la longitud y grosor de la guía de onda, por la fase inicial de las ondas excitadas y por el índice de refracción del analito que pasa por la placa sensora 21. Así, el cambio queda registrado en el índice de refracción del revestimiento (medido en la placa sensora), causado por una reacción química o biológica ocurrida en la superficie de la guía de onda o por cambios producidos en la solución del analito.
Los bloques 28 se refieren a las paredes de una célula -microfluido, que se puede acoplar a la guía de onda 20 para proporcionar fluido e intercambio del analito. No son parte de la presente invención.
La figura 2 b muestra una implementación del ejemplo de la figura 2a. El patrón de interferencia en dirección transversal puede distribuirse con un máximo situado en la parte inferior o superior de la guía de onda, como muestra la figura 2b, donde las distribuciones de intensidades de luz, que se encuentran en la sección transversal aparecen en el recuadro. Las distribuciones están diseñadas para una guía de onda con un índice de refracción de 2.0 (nitruro de silicio) y con un grosor de 400 nm. La diferencia de fase entre los modos varía en π radian de una curva a otra. Bajo ciertas condiciones la diferencia entre las energías concentradas en la sección superior e inferior del fotodetector puede alcanzar -17 dB. La intensidad de salida es proporcional a la cantidad de luz acoplada a la entrada de la guía de onda. Si la absorción en la guía de onda es constante, la energía total de la luz a la salida es proporcional a la energía acoplada en a la entrada, exceptuando algunos cambios provocados por la reflexión proveniente de la faceta de salida la cual, según las simulaciones, cambia ligeramente con el movimiento del patrón de interferencia. Dando por conocida la función del cambio de reflexión, pueden reducirse las ambigüedades que conllevan las variaciones de eficiencia de acoplamiento, porque el hecho de controlar con un fotodetector multisección (TSP)permite registrar de forma simultánea tanto la energía total, como el cambio de distribución de la luz que excita la guía de onda bimodal (BiMW).
La figura 3 representa un ejemplo de interferómetro 35 que comprende una guía de onda bimodal 30, formada por una o más capas como muestran las figuras la, Ib y
Ic. En su superficie superior, la guía de onda bimodal 30 comprende una placa sensora
31 en la que puede depositarse un analito. El interferómetro 35 comprende, en ambos extremos de dicha guía de onda 30, guías de onda monomodo 31 32. Tanto la guía de onda de entrada 31 y de salida 32 son monomodo en dirección lateral y transversal. El único parámetro que varía de la parte monomodo 31 32 a la parte bimodal 30 es el grosor. Esto implica que el grosor de estas dos guías de onda 31 32 es menor que el grosor de la guía de onda bimodal 30. La luz se acopla a la entrada de la guía de onda
32 con cualquier medio de acoplamiento convencional como el "end-fire", el enfoque directo, el acoplamiento por prisma o el acoplamiento por red de difracción. El medio de acoplamiento utilizado concretamente para el interferómetro 35 de la figura 3 es el acoplamiento directo por medio de una lente enfocada 34. Al no ser una estructura simétrica en la intersección de la entrada de la guía de onda 32 - la guía de onda bimodal 30, el modo fundamental (que es el único modo que se propaga por la entrada de la guía de onda 32) se divide en dos modos: de orden fundamental y de orden primero, en la guía de onda bimodal 30. El ratio existente entre las amplitudes de los modos viene definido por la geometría de la estructura o, más exactamente, por el grosor de las guías de onda 32 30 31. La optimización del grosor de la guía de onda es un problema ingenieril que puede solucionarse en base a métodos convencionales de modelaje. La cantidad de luz acoplada a la salida de la guía de onda 33 depende de la distribución de intensidad existente en la intersección de la guía de onda bimodal 30- guía de onda de salida 33. En este ejemplo, la lectura de la señal de salida, proveniente de la salida de la guía de onda 33, se lleva a cabo con un fotodetector convencional 37, como un fotodiodo. El patrón de interferencia de salida se proyecta en dicho fotodetector 37 usando como medio de proyección una lente objetivo 39.
La figura 4 representa un ejemplo de interferómetro 45 que comprende una guía de onda bimodal 40 depositada en un sustrato 48. En su superficie superior, la guía de onda bimodal 40 comprende una placa sensora 41, en la que se puede depositar un analito. La luz se acopla a la guía de onda bimodal 40 mediante un acoplador de red de difracción 42, montado o integrado en la guía de onda bimodal 40. Los modos de orden fundamental y primero se excitan por haces de luz (ej. láser) provenientes de una única fuente (no representada en la figura 4), y se dirigen al acoplamiento de red de difracción 42 hacia distintos ángulos de incidencia θo θi, correspondientes al punto donde coinciden las fases en cada modo. Ambos modos se difractan por el acoplamiento red de difracción 42 y se propagan a través de la guía de onda bimodal.
Como se ha mencionado ya, la sensibilidad es directamente proporcional a la longitud de la placa sensora o a la de la guía de onda bimodal. A continuación, se analiza la sensibilidad del dispositivo de la figura 2b. Si se usa el planteamiento de matriz de transferencia, se crean las distribuciones de intensidades de luz para cada modo de una guía de onda, con un índice de refracción 2,0 (nitruro de silicio) en un sustrato de silicio (índice de refracción 1,46), y un índice de refracción variable de la capa de revestimiento. Luego, las distribuciones de patrón de interferencia situadas a la salida de la guía de onda y las señales correspondientes generadas por las secciones del fotodetector, se calculan como una función del cambio de fase entre los modos. Las señales producidas por las secciones del fotodetector se calculan de nuevo, como cambio relativo, Sr, de la señal de salida según la expresión:
5 κ = UuP -Udown ^ (1)
U + Udown
Uup, Udown son las señales generadas por las secciones inferior y superior del fotodetector respectivamente. Los resultados de las simulaciones (Sr frente al cambio de fase) se presentan en la figura 8. Todos los cálculos se realizaron para una guía de onda de 632,8 nm. Las amplitudes de los modos fueron previamente normalizadas a la
10 unidad. La curva trazada para la guía de onda de 400 nm de grosor (línea sólida) es algo más pronunciada que la trazada para la de 300 nm de grosor (línea curva). La razón es que la distribución asimétrica de los modos de la guía de onda es aún mayor en guías de onda delgadas. Sin embargo, la diferencia entre las pendientes de las curvas no es tan significativa: Al π para la guía de 300 nm de grosor y 4.3/ # para la de 400 nm.
15 Si tomamos una guía de onda bimodal uniforme con modos que se propagan hasta alcanzar una distancia L y la salida de la guía de onda, la sensibilidad del dispositivo, es decir, la relación entre el cambio que se produce en la señal de salida y el cambio que se produce en el índice de refracción del revestimiento, se expresa con la fórmula:
2 o n 0 Sens = - dSr = - dS —r — dφ *- n (2Λ) ancl dφ óncl ncι índica el índice de refracción del revestimiento y φ la diferencia de fase de ambos modos.
La diferencia de fase ocasionada por un cambio en el índice de refracción del revestimiento tras una distancia L se expresa así:
25
Δφ = — -(Δne ι ff -Δne ϋ ff )- L (3)
L es la longitud de la placa sensora, λ es la longitud de onda, Δne°ff ,
Figure imgf000020_0001
es el cambio del índice de refracción efectivo, de los modos de orden cero y primero respectivamente, debido a los cambios dados el índice de refracción del revestimiento. Tras sustituir (3) 30 por (2) se obtiene la expression de la sensibilidad del dispositivo:
Figure imgf000021_0001
El índice de refracción del revestimiento afecta de forma distinta a las constantes de propagación n°ff de modos de orden fundamental y
Figure imgf000021_0002
primero. Las derivadas
-, 1 -, o
— — , — — están representadas en la figura 9 como una función del índice de refracción dncl dncl del revestimiento. Las líneas curvas corresponden al modo fundamental y las líneas sólidas al primer modo. El grosor de la guía de onda corresponde a: α - 300 nm, o - 350 nm, Δ - 420 nm, v - 470 nm. Obviamente, cuanto más penetren los modos de la guía de onda en el revestimiento, mayor será la modulación del índice de refracción efectivo para ambos modos. La penetración de los modos es inversamente proporcional al grosor de la guía de onda y directamente proporcional a nc¡. Las derivadas mostradas en la figura 9, referidas a ambos modos, aumentan a medida que lo hace el índice de refracción del revestimiento. Sin embargo, la constate de propagación del modo de orden primero se ve muy afectada por los cambios dados en el índice de refracción del revestimiento. La diferencia entre las derivadas es especialmente significativa, luego, la sensibilidad es mayor en las guías de onda delgadas. Por ejemplo, en una guía de onda de 300 nm de grosor, la sensibilidad puede ser tres veces más alta que en un guía de onda de 470 nm.
La sensibilidad, expresada en términos de cambio de fase por unidad de índice refracción, puede apreciarse en la figura 9 y la expresión (3). Por tanto, en una guía de onda de 300 nm de grosor y 10 mm de longitud se puede alcanzar un cambio de fase de
2 ^r, si el índice de refracción del revestimiento cambia en 6x10"4 RIU (Unidad de índice de refracción), cuando nc¡ ronda el 1,34.
En la figura 10 la sensibilidad Sens, calculada mediante la expresión (4), se índica frente al índice de refracción de la capa de revestimiento para cuatro grosores de guía de ondas: α - 300 nm, o - 350 nm, Δ - 420 nm, v - 470 nm. La sensibilidad es el cambio en la señal de salida por unidad de cambio en el índice de refracción del revestimiento. Los cálculos se realizaron tomando como referencia una guía de onda de lOmm de largo. Este parámetro define el nivel base de ruido permitido en el sistema de circuitos de detección para distinguir cambios en el patrón de interferencia. Al trabajar con guías de onda de menos de 400 nm, se observa que una precisión del 1% es suficiente para leer la señal de salida. La sensibilidad del dispositivo propuesto es comparable con la sensibilidad del IMZ fabricado con tecnología de silicio.
El siguiente es un ejemplo de elaboración: un wafer de silicio, pulido en un lado, se somete a oxidación a altas temperaturas. Una capa de dióxido de silicio de unos 2 μm de grosor se forma en ambos lados del wafer (la parte donde se colocan los componentes, formando la guía de onda, y la parte de atrás), como resultado de este proceso. Una capa de nitruro de silicio de unos 400 nm de grosor se deposita por
LPCVD en la parte de los componentes y la de atrás, como resultado de este procedimiento. Una capa de dióxido de silicio de PEVCD en la parte delantera del wafer. Las guías de onda se imprimen por la parte delantera mediante una fotolitografía convencional y un grabado húmedo en ácido hidrofluorhídrico tamponado (HF). La fotoresistencia se elimina con plasma de oxígeno. El wafer se sumerge en HF por un período suficiente para eliminar la máscara de dióxido de silicio y para que a su vez, se formen rugosidades en el nitruro de silicio. El grabado selectivo se usa (se elige el grosor del óxido de PECVD que sea proporcional a la altura de la costilla. La selectividad del grabado (nitruro de silicio) es de 1000/14 aproximadamente, si el grabado se realiza con una solución SiO-etch (similar a HF10%). Esta tecnología permite la fabricación de guías de onda costilla, con una altura de unos 4nm y un grosor de unos 4 μm. La guía de onda puede soportar dos modos transversales. Es, por tanto, bimodal con un modo de orden fundamental y otro de orden primero. Una capa de silicio se deposita en la parte de los componentes como capa protectora. Se forma una placa sensora en la superficie de la guía de onda, por medio de una fotlitografía estándar y un grabado húmedo en una solución SiO-etch.
Para este experimento se ha utilizado una guía de onda de 3 μm que soportaba un modo en dirección lateral. El wafer se seccionó en chips y éstos se pulieron para que las caras de los extremos de la guía de onda estuvieran pulidas El chip se montó sobre una base de aluminio cubierta con un conector-microfluido de polimetacrilato (PMMA), provisto de un canal para que el reactivo fluyera por la guía de onda. La longitud de la placa sensora L era de 3 mm. A continuación se describe un biosensor basado en una guía de onda bimodal óptica según la invención. Los experimentos acerca de la detección de cambios en el índice de refracción del reactivo se realizaron por inyección de agua: una solución de glicerina en el canal. En la figura 11 se muestra una vista esquemática del montaje experimental. Una bomba peristáltica suministraba el fluido. La luz se inyectaba en la guía de onda 20' mediante una lente objetivo 52, enfocada hacia un haz proveniente de un láser He-Ne 4'. En este caso, es un láser HeNe de 10 mW, que comprende un divisor de haces. Una ligera desalineación del objetivo con respecto a la guía de onda en dirección vertical permite que ambos modos se exciten simultáneamente. Otra lente objetivo 29' captaba la luz y la imagen de la faceta de la guía de onda se proyectaba en el TSP 27'. Se estabilizó la señal mientras el agua desionizada pasaba por la placa sensora 51. La válvula 53 se usa para dirigir el flujo, con o sin reactivo, a un canal que pase por la célula-microfluido situada en la placa sensora 51. Luego, se inyectaron en el canal soluciones de tres concentraciones diferentes, con índices de refracción 1,3356, 1,337, y 1,39. En las figuras 12a y 12b se muestran los diagramas temporales de la señal de salida. Los experimentos realizaron en muestras y tiempos distintos, así que la modulación de amplitudes y sensibilidades varía de un experimento a otro. Una inyección de una solución de glicerina muy concentrada (44 % vol. y 1,39 de índice de refracción) causó un fuerte cambio de fase y oscilaciones 18 π (véase figura 12a). Una inyección de una solución de glicerina poco concentrada (2,2% o 3,3% vol. con índices de refracción de 1,3356 y 1,337, respectivamente) dieron como resultado cambios de fase débiles y oscilaciones de casi π y 2π , respectivamente (véase figura 12b).
Al analizar los resultados de los experimentos y tomar como índice de refracción del agua desionizada 1,333, se observó un cambio de fase de unos 2 π por cambio de
0,006 RIU en el revestimiento. La pendiente de la curva en la posición de máxima sensibilidad está en 0,06 por 10"4 RIU. Posteriormente, para detectar un índice de variación de 10"6 RIU es necesaria una precisión de 6xlO"4 (0.06%) al medir el valor absoluto de la señal de salida. La estabilidad de la señal de salida ha de ser del mismo orden de magnitud. Para una placa sensora de 10 mm de longitud la sensibilidad es de
0,002 por cambio de 10"6 RIU. A pesar de que existen discrepancias entre las predicciones realizadas teóricamente y las prácticamente demostradas, se deben a la técnica de acoplamiento utilizada en el experimento, que no siempre garantiza el ratio de amplitud apropiado entre los modos excitados. En otras palabras, la discrepancia es consecuencia de limitaciones ingenieriles.
La presente invención constituye un método para detectar la introducción de cambios (ej. la cantidad o concentración de un estímulo) en un estímulo químico, biológico o físico determinado en un entorno localizado. El método comprende los siguientes pasos, llevados a cabo en un interferómetro de guía de onda óptica bimodal como el representado en las figuras la, Ib y Ic:
(a) definir una placa sensora 21 31 41 en un entorno localizado de la parte superior de la guía de onda 10 20 30 40; (b) colocar un estímulo químico, biológico o físico, o analito en dicha placa sensora 21
31 41;
(c) introducir o causar cambios en dicho estímulo químico, biológico o físico situado en dicha placa sensora 21 31 41;
(d) acoplar un modo de orden fundamental y otro de orden primero de radiación electromagnética en dicha guía de onda óptica 10 20 30 40, de forma que cuando ambos modos viajan por la placa sensora 21 31 41, situada en la guía de onda, se produce una variación en sus características, como retardo en las fases que depende de los cambios dados en el estímulo químico, físico o biológico.
(e) medir la respuesta de dicho modo fundamental, a la salida de dicha guía de onda, en relación a la respuesta de dicho modo de orden primero; y
(f) relacionar dicha respuesta relativa de ambos modos con los cambios dados en el estímulo químico, biológico o físico.
Preferiblemente, el paso (e) comprende: (el) generar un patrón de franjas de interferencia; y (e2) medir el desplazamiento en el patrón de interferencia.
Preferiblemente, el paso (f) comprende:
(fl) Relacionar el desplazamiento del patrón de interferencia con la presencia de cambios en el estímulo químico, biológico o físico determinado.
Como conclusión, se presenta un diseño simple de un interferómetro y sensor basados en una guía de onda óptica bimodal
En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "que comprende" etc.) no debe entenderse de modo excluyente, es decir, éstos términos no deben interpretarse de modo que excluyan la posibilidad de que todo lo descrito y definido pueda incluir más elementos, pasos etc.
En el contexto de la presente invención, los términos "alrededor", "unos/unas", "aproximadamente" y "sustancialmente" y los términos de la misma familia (como "aproximado" etc.) no deben interpretarse como indicadores de valores muy próximos a aquellos que acompañan el término al que anteceden. Es decir, una derivación de un valor debe aceptarse, dentro de límites razonables, pues el experto en la materia entenderá que esa derivación de los valores indicados es inevitable debido a imprecisiones métricas etc. Por otra parte, es obvio que la invención no se limita a la(s) realización(es) especificas aquí descritas, también abarca cualquier variación que considere el experto en la materia (por ejemplo, en lo referente a elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración etc.), dentro del ámbito general de la invención como se especifica en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES :
1. Interf eróme tro de guía de onda plana óptica (15, 25, 35, 45) que comprende:
- un sustrato (8, 28, 38, 48); - una guía de onda bimodal(10, 20, 20', 30, 40) que comprende al menos una capa (1, 2, 3) depositada en dicho sustrato (8, 28, 38, 48), dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) está diseñada para soportar un modo de orden cero y un modo de orden primero de propagación transversales, dichos modos de propagación transversales poseen diferente dispersión; - una placa sensora (21, 31, 41, 51) situada en una zona concreta de la parte superior de dicha guía de onda bimodal(10, 20, 20', 30, 40), dicha placa sensora (21, 31, 41, 51) está diseñada para recibir un estímulo de entrada químico, biológico o físico dicho estímulo es capaz de cambiar el índice de refracción efectivo de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40); caracterizado porque dicha guía de onda bimodal comprende (10, 20, 20', 30, 40)medios de confinamiento (9) diseñados para confinar la luz en dirección lateral, la guía de onda bimodal(10, 20, 20', 30, 40)está diseñada para soportar un modo lateral.
2. Interf erómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a la reivindicación 1, que comprende una fuente de radiación electromagnética (4, 4') diseñada para conducir la luz óptica a dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40).
3. Interf erómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a la reivindicación 2, donde dicha fuente de radiación electromagnética (4, 4') es un láser.
4. Interf erómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a la reivindicación 2, donde dicha fuente de radiación electromagnética esta integrada en la estructura del sustrato (8, 28, 38, 48).
5. Interf erómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, que comprende medios de polarización.
6. Interf eróme tro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, que también comprenda otros medios de enfoque.
7. Interferómetro de guía de onda plana (15, 25) correspondiente a la reivindicación 6, en el que dichos medios de enfoque sean una lente (22, 52).
8. Interferómetro de guía de onda plana(15, 25) correspondiente a la reivindicación 7, en el que el eje central de dicha lente (22, 52) se configure para desalinearse en dirección transversal con respecto al eje de simetría longitudinal de la guía de onda bimodal (20, 20'), de esta forma un primero y segundo modo de propagación transversal se excitan dentro de la guía de onda bimodal (20), 20' cuando una fuente de luz se enfoca directamente en dicha lente hacia la guía de onda bimodal (20, 20').
9. Interferómetro de guía de onda plana (35) correspondiente a cualquier reivindicación de la 1 a la 5, que comprende:
- una guía de onda de entrada (32) conectada a un extremo de dicha guía de onda (30), dicha guía de onda de entrada (32) diseñada para soportar un modo en dirección tanto transversal, como lateral; - una guía de onda de salida (33) conectada a un extremo de dicha guía de onda
(30), dicha guía de onda de salida (33) diseñada para soportar un modo en dirección tanto transversal, como lateral; en el que el grosor de dichas guías de onda de salida y entrada (32, 33) es menor que el de dicha guía de onda bimodal (30), debido a la geometría asimétrica de la estructura en la intersección de dicha guía de onda de entrada (32) y dicha guía de onda bimodal (30); dicho mono modo se divide en dichos modos primero y segundo de propagación transversal
10. Interferómetro de guía de onda plana(35) correspondiente a la reivindicación 9, que comprende medios para acoplar radiación electromagnética de dentro de dicha guía de onda bimodal (30), en el que dichos se seleccionan de un grupo formado por:"end-fire", enfoque directo, acoplamiento por prisma y acoplamiento por red de difracción.
11. Interferómetro de guías de onda plana (35) correspondiente tanto a la reivindicación 9 como a la 10, en el que la cantidad de luz acoplada en la guía de onda de salida (33) depende de la distribución de intensidad existente en la intersección entre la guía de onda bimodal (30) y la guía de onda de salida (33).
12. Interferómetro de guía de onda plana (45) correspondiente a cualquier reivindicación de la 1 a 5, que comprende medios de acoplamiento (42) diseñados para acoplarse a dicha guía de onda bimodal (40) un modo de luz de orden primero y otro modo de luz de orden segundo con diferentes ángulos de incidencia (θo, θ\).
13. Interferómetro de guía de onda plana (45) correspondiente a la reivindicación 12, en el que dicho medio de acoplamiento es (42) una red de difracción acoplada a una entrada de dicha guía de onda bimodal (40).
14. Interferómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, en el que dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) comprende al menos dos capas.
15. Interferómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a la reivindicación 14, en el que la primera capa de la guía de onda posee un primer índice de refracción y la segunda capa de la guía de posee un segundo índice de refracción; el índice de refracción de dicha segunda capa es más bajo que el de dicha primera capa.
16. Interferómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, en el que el índice de refracción efectivo de dicho modo de orden cero y el índice de refracción efectivo de dicho modo de orden primero son sustancialmente diferentes.
17. Interferómetro de guía de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, en el que dicha diferencia de dispersión de los modos de propagación transversales depende de la velocidad de propagación registrada en los parámetros de dicha guía de onda.
18. Interferómetro de guía de onda plana(15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior, que comprende medios de detección (27, 27', 37, 47) para medir en la salida de dicha guía de onda, cambios en la intensidad de radiación debido a dicho estímulo de entrada.
19. Interferómetro de guías de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a la reivindicación 18, en el que dicho medio de detección (27, 27', 37, 47) es un fotodector de dos secciones.
20. Un chip que comprende al menos un interferómetro de guías de onda plana (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación anterior.
21. Un sensor que comprende un interferómetro de guías de onda planas (15, 25, 35, 45) correspondiente a cualquier reivindicación de 1 a 19.
22. Método de detección que comprende los siguientes pasos:
(a) definir una placa sensora (21, 31, 41, 51) en una zona concreta de la guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) de un interferómetro de guía de onda óptica (15, 25, 35, 45);
(b) colocar un estímulo químico, biológico o físico en dicha placa sensora (21, 31, 41, 51);
(c) introducir o causar cambios en dicho estímulo químico, biológico o físico, situado en dicha placa sensora (21, 31, 41, 51); (d) acoplar un modo de orden cero y otro de orden primero de radiación electromagnética dentro de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40), de forma que cuando ambos modos viajan por dicha placa sensora (21, 31, 41, 51) situada en dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40), sufren un retardo de las fases que depende de los cambios dados en dicho estímulo químico, biológico o físico; (e) medir, en la salida de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40), la respuesta de dicho modo de orden cero en relación a la respuesta de dicho modo de orden primero; y (f) relacionar dicha respuesta relativa de ambos modos con los cambios dados en el estímulo químico, biológico o físico.
23. Método de detección correspondiente a la reivindicación 22, en el que el paso de medir la respuesta de dicho modo de orden cero en relación con dicho modo de orden primero comprende:
- generar un patrón de franjas de interferencia (11, 12, 13); y medir un desplazamiento en el patrón de interferencia (11, 12, 13).
24. Método de detección correspondiente a la reivindicación 23, en el que el paso de relacionar dicha respuesta relativa de ambos modos con los cambios dados en el estímulo químico, biológico o físico comprende:
- relacionar dicho desplazamiento del patrón de interferencia con la presencia de cambios en el estímulo químico, biológico o físico determinado.
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