專利名稱：基于雙模光波導(dǎo)的干涉儀和傳感器以及感測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于光波導(dǎo)的干涉儀和傳感器，尤其涉及基于雙模光波導(dǎo)的干涉儀和 傳感器。
背景技術(shù)：
對分子的檢測，例如對蛋白質(zhì)、葡萄糖、或分子之間的結(jié)合(binding)的檢測，是 一個常見的問題。溶液中的試劑量或分子濃度可能很低，需要高靈敏度的設(shè)備來檢測分 子。可以使用各種方法和技術(shù)來進行檢測。存在多種納米機械和光學(xué)設(shè)備，諸如馬赫-曾 德(Mach-Zhender)干涉儀、表面等離子體激光諧振、楊氏(Young)干涉儀、法布里-珀羅 (Fabry-Perot)干涉儀、以及平板干涉儀。馬赫-曾德和楊氏干涉儀是很久以前引入并已被 充分研究過的基于光波導(dǎo)的緊湊型設(shè)備。現(xiàn)在，這些技術(shù)被認(rèn)為屬于生物分子檢測領(lǐng)域中 最靈敏的技術(shù)，因為堅固平面結(jié)構(gòu)的簡單性提供了相對簡單的固定過程這一優(yōu)點。已開發(fā) 的方法和規(guī)程能夠結(jié)合分子而無需作標(biāo)記。這使得實驗不那么費勁并且更加可重復(fù)，因為 作標(biāo)記會干擾實際結(jié)果，因而是一種誤差來源。干涉儀通常具有兩個支路，當(dāng)干涉儀作為感 測設(shè)備時，其一個支路設(shè)有傳感器片，另一個支路作為參考。流過傳感器片的試劑與之前被 固定在波導(dǎo)上的分子在窗口中相互作用。這會改變波導(dǎo)包層的折射率，并隨之改變光沿該 波導(dǎo)傳播的速度。從而，在兩個支路中傳播的光波之間存在相移。根據(jù)干涉儀的類型，混合 這些波會產(chǎn)生不同的結(jié)果在楊氏干涉儀的情況下是干涉圖案，而在馬赫-曾德干涉儀的 情況下是輸出通道信號的變化。然而，具有兩個支路的干涉儀具有難以精確分光的缺點。如果制作得不好，則關(guān)鍵 的Y接頭對稱性使得干涉儀容易具有減小的調(diào)制深度和靈敏度的損失。而且，可能僅僅在相對較薄的波導(dǎo)上才能獲得高靈敏度。靈敏度定義為，波導(dǎo)消逝 場進入與波導(dǎo)結(jié)合的分析物中——即進入與波導(dǎo)接觸的分析物中——的穿透深度。如果波 導(dǎo)厚度減小，則穿透深度顯著增大。由于薄波導(dǎo)的波導(dǎo)傳播模式的強度分布與常規(guī)光源強 度分布之間的失配，這引起光耦合的困難。兩個支路中的干涉光波之間的初始相移調(diào)節(jié)需要額外的技術(shù)和工程努力。通過使用雙模波導(dǎo)干涉儀可以部分解決上述問題。日本專利申請JP2004145246 給出了利用兩個傳播模式的干涉來工作的設(shè)備的一個例子。該設(shè)備由單模波導(dǎo)、隨后的雙 模波導(dǎo)、和再隨后的另一個單模波導(dǎo)組成。JP2004145246中描述的結(jié)構(gòu)的工作原理是基于平面型雙模波導(dǎo)中兩個傳播模式 的干涉。圖5示出了這種波導(dǎo)。雖然物理結(jié)構(gòu)是三維的，但是從性質(zhì)角度而言該結(jié)構(gòu)是 二維的在縱向(在圖5中被稱為X軸)，即光傳播的方向，該結(jié)構(gòu)具有臺階(step)或肋 (rib) 500，其定義了沿縱軸的厚度變化。在橫向(在圖5中被稱為Y軸)，波導(dǎo)材料的性質(zhì) (即，折射率)有變化。在側(cè)向(在圖5中被稱為Z軸)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是均勻的，因為其性質(zhì)沿 側(cè)向無變化。因此，該結(jié)構(gòu)是二維結(jié)構(gòu)(從傳播的角度而言，它具有一個縱向尺寸和另一個 橫向尺寸)。
然而，JP2004145246的設(shè)備的尺寸無法制造能夠檢測包層折射率的極小變化的狹 長干涉儀。G. Coppola等人在"Temperature Optical Sensor Based on allSilicon Bimodal Waveguide”中給出了利用傳播模式的干涉來工作的設(shè)備的另一個例子，其中側(cè)向模式參與 生成干涉圖案。該設(shè)備可以使用常規(guī)的光刻法制造。盡管如此，該設(shè)備的準(zhǔn)確實施仍然非常需要對干涉儀側(cè)向幾何結(jié)構(gòu)的精確控制。 利用常規(guī)的微電子技術(shù)來控制該設(shè)備的側(cè)向幾何結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的。
實際上，JP2004145246和G. Coppola等人的文獻中的設(shè)備結(jié)構(gòu)暗示的是順序波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)，其被設(shè)計用于激勵模式和用于讀取干涉信號。這對設(shè)備的靈敏度以及對其通用性造 成某些限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用雙模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)該雙模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化時，積累在兩個 傳播模式之間的不同的相對相位延遲。本發(fā)明還涉及包括雙模波導(dǎo)的光波導(dǎo)干涉儀，其中 該雙模波導(dǎo)的傳播模式色散對模式階次敏感。本發(fā)明的一個方面涉及一種平面光波導(dǎo)干涉儀，包括襯底；包括沉積在所述襯 底上的至少一個層的雙模波導(dǎo)，所述雙模波導(dǎo)被設(shè)計為支持零階和一階橫向傳播模式，所 述橫向傳播模式具有不同的色散；位于所述雙模波導(dǎo)的上側(cè)的選定區(qū)域中的傳感器片，所 述傳感器片被配置用于接收化學(xué)、生物或物理輸入刺激物，所述刺激物能夠改變所述雙模 波導(dǎo)的有效折射率。所述雙模波導(dǎo)包括被設(shè)計用于在側(cè)向限制光的限制裝置，從而雙模波 導(dǎo)被設(shè)計用于支持一個側(cè)向模式。所述干涉儀優(yōu)選地包括被配置用于將光導(dǎo)入所述雙模波導(dǎo)中的電磁輻射源。該源 更優(yōu)選地是激光器?？蛇x地，所述源集成在襯底的結(jié)構(gòu)中。在一個特定實施例中，所述干涉儀包括偏振裝置?？蛇x地，所述干涉儀包括聚焦裝置。在一個特定實施例中，聚焦裝置是透鏡。在這 種情況下，透鏡的中心軸被配置為在橫向與雙模波導(dǎo)的縱對稱軸未對準(zhǔn)，從而當(dāng)將來自源 的光通過所述透鏡朝雙模波導(dǎo)直接聚焦時，在雙模波導(dǎo)中激勵第一和第二橫向傳播模式。在一個特定實施例中，所述干涉儀包括在所述雙模波導(dǎo)的一端連接的輸入波導(dǎo)， 所述輸入波導(dǎo)被設(shè)計用于在橫向和側(cè)向都支持單模；在所述雙模波導(dǎo)的另一端連接的輸出 波導(dǎo)，所述輸出波導(dǎo)被設(shè)計用于在橫向和側(cè)向都支持單模。所述輸入和輸出波導(dǎo)中的每一 個的厚度小于所述雙模波導(dǎo)的厚度，從而由于在所述輸入波導(dǎo)和所述雙模波導(dǎo)的接合處的 不對稱幾何結(jié)構(gòu)，所述單模被分成第一和第二橫向傳播模式?？蛇x地，所述干涉儀包括用 于將電磁輻射耦合到雙模波導(dǎo)中的裝置，該裝置選自端射(end-fire)、直接聚焦、棱鏡耦 合、和衍射光柵耦合。耦合到輸出波導(dǎo)中的光量取決于在雙模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的接合 處的強度分布。在另一個實施例中，所述干涉儀包括被設(shè)計用于以不同的入射角將光的一階和二 階模式耦合到雙模波導(dǎo)中的耦合裝置。可選地，所述耦合裝置是耦合到所述雙模波導(dǎo)的輸 入端的衍射光柵。
優(yōu)選地，所述雙模波導(dǎo)包括至少兩個層。在該情況下，每一層具有不同的折射率。 第二層的折射率低于第一層的折射率。所述零階模的有效折射率和所述一階模的有效折射率實質(zhì)上不同。橫向傳播模式 的不同色散取決于基于波導(dǎo)參數(shù)的傳播速度。可選地，所述干涉儀包括檢測裝置，用于在所述波導(dǎo)輸出端測量由于輸入刺激物 引起的輻射強度的變化。在一個特定實施例中，所述檢測裝置是兩段式光檢測器。本發(fā)明的另一方面涉及包括至少一個像前面提到的那樣的平面光波導(dǎo)干涉儀的
-H-· I I 心片。本發(fā)明的另一方面涉及包括像前面提到的那樣的平面光波導(dǎo)干涉儀的傳感器。最后，本發(fā)明涉及一種感測方法，包括以下步驟(a)在光波導(dǎo)干涉儀的雙模波導(dǎo) 的確定區(qū)域中限定傳感器片；(b)在所述傳感器片中放置化學(xué)、生物或物理刺激物；(C)引 入或引起所述刺激物中的變化；(d)將電磁輻射的零階模式和一階模式耦合到所述雙模波 導(dǎo)中，使得當(dāng)兩個模式行進通過在雙模波導(dǎo)中限定的傳感器片時，它們經(jīng)歷取決于所述刺 激物中的變化的相位延遲；(d)將電磁輻射的一階模式和二階模式耦合到所述雙模波導(dǎo) 中，使得當(dāng)兩個模式行進通過在雙模波導(dǎo)中限定的傳感器片時，發(fā)生取決于所述刺激物中 的變化的相位延遲；(e)在所述雙模波導(dǎo)的輸出端，測量所述零階模式的響應(yīng)相對于所述 一階模的響應(yīng)；以及(f)將兩個模式的相對響應(yīng)與刺激物中引起的變化相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選地，所述測量零階模式的響應(yīng)相對于一階模式的響應(yīng)的步驟包括生成干涉 條紋圖案；和測量干涉圖案中的位移。進一步地，所述將兩個模式的相對響應(yīng)與刺激物中的 變化相關(guān)聯(lián)的步驟包括將干涉圖案中的位移與確定的刺激物中的變化的存在相關(guān)聯(lián)。所提出的發(fā)明的優(yōu)點將在下面的描述中變得明顯。


為了使說明書完整以及為了提供對本發(fā)明更好的理解，提供一組附圖。所述附圖 形成說明書的一個整體組成部分，并且示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，該優(yōu)選實施例不應(yīng)當(dāng)被 解釋為限制本發(fā)明的范圍，而只是作為本發(fā)明可以如何實施的一個例子。附圖包括以下的 圖圖Ia至Ic是根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)干涉儀的原理表示。圖Id表示在根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)干涉儀中，傳播模式在橫向的強度分布的例子。圖2a示出根據(jù)本發(fā)明的干涉儀和傳感器的一個例子。圖2b示出圖2a的例子的一種實施方式。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的干涉儀和傳感器的一個例子。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的干涉儀和傳感器的一個例子。圖5示出現(xiàn)有技術(shù)中的二維平面波導(dǎo)。圖6和7示出一種波導(dǎo)，其中對根據(jù)本發(fā)明的"橫向"和"側(cè)向"的含義進行了 闡釋。圖8示出對于在本發(fā)明的干涉儀的輸出端檢測的信號的兩種仿真。圖9示出一種仿真，表示根據(jù)本發(fā)明，包層折射率如何影響兩個模式的傳播常數(shù)。圖10表示根據(jù)本發(fā)明，靈敏度與包層折射率的關(guān)系。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器的實驗布置的示意圖。圖12a和12b示出圖11的傳感器在不同條件下的響應(yīng)。
具體實施方式

在本發(fā)明的上下文中，下列附圖必須加以考慮如圖6示出的，電磁輻射光束的"橫向模式"是沿著由垂直于光束傳播方向的平 面(平面1或平面Υ0Ζ)和垂直于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并沿傳播方向的平面(平面2或平面Χ0Υ)所形 成的線所測量的確定的輻射強度圖案。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"垂直的(vertical)" 要作為"橫向(traverse)"的同義詞來考慮。如圖7示出的，電磁輻射光束的"側(cè)向模式"是沿著由垂直于光束傳播方向的 平面(平面1或平面Υ0Ζ)和也垂直于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并沿傳播方向的平面(平面3或平面 Χ0Ζ)所形成的線所測量的確定的輻射強度圖案。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"水平的 (horizontal)“要作為〃側(cè)向(lateral)"的同義詞來考慮。橫向模式和側(cè)向模式可以被分類成TE (橫電)模和TM(橫磁)模。TE模是在傳播 方向上沒有電場的模式，而TM模是在傳播方向上沒有磁場的模式。波導(dǎo)模式的"色散"是所述模式的傳播速度對波導(dǎo)及其包圍層的參數(shù)的依賴性?！胺治鑫铩笆侨魏伟幸杀景l(fā)明的干涉儀和傳感器檢測的物質(zhì)的溶液。本發(fā)明的實施方式可以如下進行圖Ia示出支持本發(fā)明的兩個模式的單個光波導(dǎo)10的示意性表示。波導(dǎo)10能夠 支持的兩個模式是橫向模式(TE或TM) :TE或TM基模和TE或TM —階模。雖然可以選擇兩 個側(cè)向模式，但是為了克服已提到的由限制兩個側(cè)向模式的結(jié)構(gòu)引起的缺點，限制兩個橫 向模式的結(jié)構(gòu)被選擇和設(shè)計。該光波導(dǎo)10用作干涉儀。光波導(dǎo)10包括至少一個以層狀方式沉積到襯底8上的 光學(xué)透明材料層2。優(yōu)選地，波導(dǎo)10包括若干個以層狀方式沉積到襯底8上的光學(xué)透明材 料層1、2、3。層2具有比相鄰的層1和3要高的折射率。因此，在這種情況下，光波導(dǎo)10 是平板光波導(dǎo)。波導(dǎo)可具有單層在襯底上的一個層1就足夠了，因為如同之后將解釋的 那樣，沉積在上層(可能是僅有的一層)之上的分析物也形成位于波導(dǎo)10上方的層(覆蓋 層)。因而，干涉儀的工作原理得以滿足，根據(jù)該原理，光行進通過具有不同折射率區(qū)域的結(jié) 構(gòu)，所述兩個區(qū)域是單層波導(dǎo)10(支撐在襯底8上)和沉積在其上的分析物或覆蓋層。優(yōu) 選地，使用多個層1、2、3以優(yōu)化該結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)10包括能夠在側(cè)向限制光的限制裝置。得益于該限制裝置9，該波導(dǎo)能夠支 持至少一個側(cè)向模式。注意，在提供了橫向限制的完美波導(dǎo)的理想情況下，具有相對寬的側(cè)向分布(例 如，大約Imm)的光束將基本無發(fā)散地傳播。這意味著，在橫向傳播幾毫米之后，光束將保持 大約Imm的相同寬度。在這種情況下將不需要肋或脊(ridge)。然而，對于將許多波導(dǎo)集成 在同一個芯片上的一個陣列中而言，寬的光束使得波導(dǎo)龐大且不實用。對于傳播通過這些 波導(dǎo)的窄光束(寬度小于大約100 μ m)，它們最終變得非常發(fā)散，S卩，在橫向傳播幾個毫米 之后，該光束在側(cè)向發(fā)散并擴展幾個毫米。這使得設(shè)備不實用。換而言之，在實際中，當(dāng)使 用簡單的平面結(jié)構(gòu)時，側(cè)向單模工作極為困難。同樣地，波導(dǎo)越長，保持側(cè)向單模工作越困難。因此，諸如肋、引導(dǎo)裝置之類的限制裝置是必要的。
側(cè)向單模工作還有助于在干涉儀用作傳感器時的建模，并使其行為可預(yù)測。限制裝置9的非限制性例子是肋、脊或斜坡(gradient)。因此，合適的波導(dǎo)是肋、 脊、斜坡或其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，波導(dǎo)10允許入射電磁輻射在由波導(dǎo)10的長度所表示的方 向上(即，在由從光源4出來的箭頭所示的方向上)傳播。波導(dǎo)10優(yōu)選是矩形波導(dǎo)，從而 模式被側(cè)向和橫向限制。波導(dǎo)為矩形不意味著波導(dǎo)在垂直于傳播方向的平面中必然具有矩 形輪廓。相反地，波導(dǎo)截面可具有小的臺階，形成肋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在一個特定實施例中，波導(dǎo)10是肋型波導(dǎo)。這在圖Ia中被示出，其中波導(dǎo)在側(cè)向 包括肋9(根據(jù)圖5的方案)。肋9暗示著波導(dǎo)10的厚度沿所述側(cè)向而變化。圖Ib示出具 有肋9的相同波導(dǎo)10的另一視圖。圖Ic中的標(biāo)號19表示另一種類型的波導(dǎo)10。在圖Ib 中，示出三個傳播方向縱向X (光傳播的方向)、橫向Y、和側(cè)向Z?？梢钥吹?，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是在光傳播的方向上均勻，而JP2004145246中公開的結(jié) 構(gòu)是在側(cè)向均勻或一致。雖然圖Ia-Ic沒有示出，但是該結(jié)構(gòu)還包括利用標(biāo)準(zhǔn)光刻法和濕法刻蝕在波導(dǎo)表 面上形成的傳感器片或區(qū)域。該傳感器片在圖2到圖4中示出。這種2D結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一是波導(dǎo)將單模光限制(因而能夠傳播光)幾個厘米而在 側(cè)向沒有光發(fā)散。需要側(cè)向單模工作是因為下列理由第一，當(dāng)波導(dǎo)被用作干涉儀或傳感 器時，它有助于在控制在波導(dǎo)端部形成的干涉圖案時避免模糊。第二，只能由二維結(jié)構(gòu)(即 肋、脊，等等)實現(xiàn)的窄波導(dǎo)允許將傳感器面積順序安排(sequence)到幾分之一平方毫米。 傳感器面積能夠從大約0. 05到大約Imm2之間變化。作為例子，15mm長、0. Olmm寬的波導(dǎo) 具有0. 15mm2的面積。在本發(fā)明的設(shè)備中，靈敏度非常重要。所述結(jié)構(gòu)需要足夠長以便作為波導(dǎo)干涉儀 工作，因為其靈敏度與傳感器片或區(qū)域的長度、或者與雙模波導(dǎo)的長度成比例。因而，該結(jié) 構(gòu)的長度優(yōu)選大致在0. 5到5cm之間的范圍中。圖Ic示出由安裝好的波導(dǎo)形成的波導(dǎo)10可以如何通過安裝來設(shè)計。標(biāo)號18表 示波導(dǎo)19被植入的區(qū)域。折射率在區(qū)域18中改變。所述波導(dǎo)在橫向和側(cè)向經(jīng)歷折射率空 間變化，而在幾何上它保持為平板結(jié)構(gòu)。來自源4的光可以被傳輸?shù)讲▽?dǎo)10的輸入端以照射層2。優(yōu)選地，光源4提供波 長落在可見或近紅外范圍內(nèi)的光，所述范圍大致在400和ieOOnm之間。光源4優(yōu)選是激光因而，兩個橫向傳播模式被同等地激勵并行進通過波導(dǎo)10的長度，積累不同的相 位延遲。在波導(dǎo)10的輸出端6，光可以從端面輻射到屏幕或測量設(shè)備7上。強度分布表示 積累的相對相位延遲。測量設(shè)備的非限制性例子是檢測器，諸如一個或多個光電二極管。如 果使用多于一個光檢測器，它們被布置為陣列，諸如二維的光電二極管陣列或CCD相機。圖Ia中已描述和示出的元素形成平面光波導(dǎo)干涉儀15。兩個橫向模式能夠根據(jù)入射電磁輻射波長的變化或局部環(huán)境中的變化而表現(xiàn)出 可測量的相對響應(yīng)。如果層1的折射率局部改變，則積累不同的相對相位延遲，并且強度分 布被相應(yīng)地修改。光波導(dǎo)橫向模式具有在層1、2、3之中分布、并在有些情況下穿過波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)10的襯底8的電場。層1、2、3中包含的相對功率量確定波導(dǎo)模式的"有效折射率"。轉(zhuǎn)而，模式的有效折射率確定該模式的傳播速度以及從而當(dāng)該模式行進通過波導(dǎo)10時能 夠積累的相位延遲的程度。如果層1、2、3的折射率改變，則場分布也改變，從而導(dǎo)致有效折 射率的改變。如果模式的色散性質(zhì)不同，則有效折射率的改變可能非常大?；：鸵浑A模 的傳播常數(shù)取決于上層和覆蓋層的折射率。如已經(jīng)提到的，當(dāng)光波導(dǎo)用作干涉儀并且分析 物沉積在上層1上時，分析物用作覆蓋層。換而言之，色散(即，傳播常數(shù)對折射率的依賴 性)對于每個模式不相同是必要的。兩個模式在波導(dǎo)端部的干涉圖案取決于組合的層的折 射率，并因而取決于分析物溶液的折射率。
圖Id表示傳播模式在橫向的強度分布的例子。X軸表示橫向距離，以nm為單位。 Y軸表示電場的歸一化強度(大小不像響應(yīng)或形狀那樣重要)。在圖Id中，標(biāo)號11表示基 模的強度分布。標(biāo)號12和13表示一階模的強度分布。在圖Id中可以看到，色散效應(yīng)起因 于兩個模式明顯不同的功率分布。形成光學(xué)干涉儀的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10可以有利地使用任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)材料組合來制 造。常規(guī)制造方法的例子是那些基于化學(xué)氣相沉積(CVD)的制造方法，諸如等離子體增強 化學(xué)氣相沉積(PECVD)或低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)是用于生產(chǎn)諸如薄膜之類的高純度、高性能的固體材料的化 學(xué)工藝。在典型的CVD工藝中，晶片(襯底)暴露于一種或多種易揮發(fā)的前驅(qū)體中，這些前 驅(qū)體在襯底表面上反應(yīng)和/或分解以產(chǎn)生所希望的沉積。微制造工藝廣泛地使用CVD來沉 積各種形式的材料，包括單晶、多晶、非晶、以及外延形式。這些材料包括硅、碳纖維、細(xì) 絲、碳納米管、SiO2、硅鍺、鎢、碳化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、以及各種高k電介質(zhì)。例如，恒定厚度(通常介于0. 3和0. 5微米中間)的氮氧化硅光波導(dǎo)的折射率可 被選擇為處于在1. 457和2. 00之間的任何水平。優(yōu)選地，第一和第二波導(dǎo)模式可以表現(xiàn)出對局部環(huán)境中的變化的可測量的相對響 應(yīng)，其中，所述局部環(huán)境中的變化是由確定的物理、生物和/或化學(xué)刺激物(stimulus)的變 化的引入而導(dǎo)致的。該響應(yīng)由這些模式的消逝場在延伸到該局部環(huán)境中時引起。引入刺激 物變化的一個例子是放置在該環(huán)境中的材料(例如分析物)的折射率的變化。由于這種變 化，第一和第二波導(dǎo)模式積累不同的相對相位延遲，從而引起可測量的相對響應(yīng)。這意味著，平面光波導(dǎo)干涉儀15能夠有利地被用于檢測引入到該局部環(huán)境中的 分析物的物理、生物和/或化學(xué)刺激物中的變化的存在。光波導(dǎo)干涉儀從而變成化學(xué)傳感 器波導(dǎo)干涉儀或基于光波導(dǎo)的傳感器。所述刺激物與波導(dǎo)模式相互作用的非限制性例子 是結(jié)合(binding)相互作用、吸收相互作用、或任何其它相互作用。例如，包含化學(xué)刺激物 的氣相或液相分析物可以被引入到光波導(dǎo)干涉儀的局部環(huán)境中。可替換地，在所述環(huán)境中 可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致在原處的化學(xué)刺激物的性質(zhì)改變，從而導(dǎo)致所述環(huán)境的改變。所述局部環(huán)境，也稱為傳感器層或片，優(yōu)選是光波導(dǎo)10的上層1的區(qū)域或表面 (圖Ia-Ic中未示出)。該傳感器層可以包括吸收或生物活性材料。吸收材料的非限制性 例子是聚合物材料，諸如聚硅氧烷或印跡聚合物(imprinted polymer) 0吸收材料能夠吸 收包含特定化學(xué)刺激物的氣體、液體或蒸氣。生物活性材料的非限制性例子是包括單克隆 和多克隆抗體、酶、DNA片段、RNA、核酸適體(aptamer)、PNA、功能蛋白或完整細(xì)胞的那些材 料。生物活性材料可以適合于以液相或氣相被檢測。當(dāng)電磁輻射沿波導(dǎo)10傳播時，在雙模波導(dǎo)10 (充當(dāng)干涉儀)的內(nèi)部產(chǎn)生干涉圖案。已經(jīng)提到的位于局部環(huán)境或傳感器片中的刺激物中的變化，或波長的變化，可以從該干 涉圖案的相對相移來計算。對所述變化的可測量的響應(yīng)由干涉圖案中條紋的位移來表示。 在干涉儀中的輻射的相對相移可以通過測量所述條紋的位移來計算。在波導(dǎo)10的輸出端 6，電磁輻射被耦合到自由空間中。從而能夠以常規(guī)方式記錄干涉圖案(例如，使用單個檢 測器7，其測量輻射強度的變化，或者使用多個這種檢測器7，它們監(jiān)測若干條紋中或整個 干涉圖案中出現(xiàn)的變化)。這樣的檢測器7優(yōu)選是一個或多個光檢測器，并且一旦使用多于 一個光檢測器，它們被布置為陣列，例如二維光電二極管陣列。如圖Ia所示，來自源4的光被聚焦到波導(dǎo)10的輸入端5中并且以電磁輻射形式 傳播，其可以通過不同途徑被耦合到第一和第二波導(dǎo)模式中。 在一個特定實施例中，輻射簡單地通過所述波導(dǎo)10的表面5的端部被耦合到波導(dǎo) 10。這也被稱為"端射型過程"。在該情況中，光源(例如激光器)與層狀結(jié)構(gòu)1、2、3集 成在公共襯底8上。襯底8的非限制性例子是磷酸銦和硅襯底?？商鎿Q地，干涉儀15包括用于將入射電磁輻射耦合到波導(dǎo)10的第一波導(dǎo)模式 (基模)和第二波導(dǎo)模式(一階模)中的其它耦合手段。這兩個模式的耦合是基本同時完 成的。除端射之外，耦合手段的非限制性例子有直接聚焦(例如，通過氦氖激光器)、棱鏡 耦合、衍射光柵耦合、或反射鏡耦合。可選地，入射光或電磁輻射可以使用適當(dāng)?shù)钠裱b置根據(jù)需要而被調(diào)整方向(例 如變成線偏振)。偏振裝置的非限制性例子是，偏振立方分束器、線偏振器和線柵偏振器。可選地，入射光或電磁輻射可以使用聚焦裝置來聚焦。這種裝置的非限制性例子 有透鏡、微透鏡、以及包括一系列透鏡的光學(xué)系統(tǒng)?？蛇x地，輸出的電磁輻射圖案可以借助于投射手段向前述的檢測器投射。投射手 段的非限制性例子是物鏡、透鏡、以及到多段式光檢測器上的直接投射。接下來，描述基于雙模波導(dǎo)的干涉儀和基于干涉儀的傳感器的一些例子。圖2示出干涉儀25的例子，其包括由圖la、Ib和Ic中示出的一個或多個層形成 的雙模波導(dǎo)20。在其頂面上，波導(dǎo)20包括其中可沉積分析物的傳感器片21。通過借助于 物鏡22直接聚焦來自激光源(圖2中未示出)的光，在波導(dǎo)20中激勵波導(dǎo)模式(基模和 一階模)。如果折射率跨某個結(jié)構(gòu)的橫向分布關(guān)于該結(jié)構(gòu)的對稱軸不對稱，則該結(jié)構(gòu)被認(rèn) 為在橫向不對稱。所述結(jié)構(gòu)的對稱軸是沿光傳播方向、并在橫向基模電磁場分布的最大強 度所處的點處與垂直于光傳播方向的平面相交的軸。因而，圖5的結(jié)構(gòu)是不對稱的。因為 結(jié)構(gòu)不對稱，物鏡的中心軸與波導(dǎo)層的對稱軸在橫向可能未對準(zhǔn)，所以零階模(基模)和一 階模都被激勵。兩個橫向模式以不同速度傳播并經(jīng)過傳感器片21。使用物鏡29作為投射 和放大裝置，將在波導(dǎo)20的輸出端16形成的干涉圖案投射到兩段式光檢測器(TSP) 27上。 除了其它參數(shù)之外，干涉圖案的最大值位置由所激勵的波的初始相位以及由通過傳感器片 21的分析物的折射率來定義，所述其它參數(shù)諸如折射率、每一層的厚度、波導(dǎo)長度和波導(dǎo)寬 度。塊28指的是可以附著到波導(dǎo)20以提供分析物的流動和交換的微流體單元的壁。 它們不是本發(fā)明的一部分。圖2b示出圖2a的例子的一種實施方式。橫向的干涉圖案可以分布為其最大值位 于波導(dǎo)的下部或上部，如圖2b所示，其中在插圖中示出波導(dǎo)截面上的光強度分布。所述分布是針對折射率為2. O (氮化硅)、厚度為400nm的波導(dǎo)設(shè)計的。模式之間的相位差從一條曲 線到另一條曲線變化了 η弧度。在某些條件下，集中在光檢測器的頂部段和底部段的能量 之差能夠達到_17dB。輸出強度與在輸入端耦合到波導(dǎo)的光量成比例。如果波導(dǎo)上的吸收 是恒定的，則除了一些由于從輸出面反射引起的變化之外，在出口的總光功率與在輸入端 耦合的功率成比例，根據(jù)仿真，這隨著干涉圖案移動稍有變化。假定反射變化的函數(shù)已知， 則由耦合效率變化引起的不確定性可以減小，因為利用兩段式光檢測器(TSP)進行監(jiān)測允 許同時記錄總功率和激勵雙模波導(dǎo)(BiMW)的光的分布的移動。
圖3示出干涉儀35的例子，其包括由圖la、Ib和Ic中示出的一個或多個層形成的 雙模波導(dǎo)30。在其頂面上，雙模波導(dǎo)30包括其中可沉積分析物的傳感器片31。干涉儀35 在所述波導(dǎo)30的兩端包括單模波導(dǎo)31、32。輸入波導(dǎo)31和輸出波導(dǎo)32都在橫向和側(cè)向是 單模。單模部分31、32與雙模部分30唯一不同的參數(shù)是厚度。這暗示著，這兩個波導(dǎo)31、 32的厚度小于雙模波導(dǎo)30的厚度。光通過任何常規(guī)耦合方式被耦合到輸入波導(dǎo)32中，所 述耦合方式諸如端射、直接聚焦、棱鏡耦合、或衍射光柵耦合。用于圖3的干涉儀35的特定 耦合方式是借助于聚焦透鏡34直接耦合。因為該結(jié)構(gòu)在輸入波導(dǎo)32-雙模波導(dǎo)30接合處 是不對稱的，所以基模(這是傳播通過輸入波導(dǎo)32的唯一模式)在雙模波導(dǎo)30中分成兩 個模式基模和一階模。模式振幅之間的比率由結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來限定，或者更確切地說， 由波導(dǎo)32、30、31的厚度來限定。波導(dǎo)厚度的優(yōu)化是可以基于常規(guī)建模方法解決的工程問 題。耦合到輸出波導(dǎo)33中的光量取決于在雙模波導(dǎo)30-輸出波導(dǎo)33接合處的強度分布。 在該例子中，由常規(guī)的光檢測器37，諸如光電二極管，來執(zhí)行對從輸出波導(dǎo)33出來的輸出 信號的讀取。使用物鏡39作為投射裝置，將輸出干涉圖案投射到所述光檢測器37上。圖4示出干涉儀45的例子，其包括沉積在襯底48上的雙模波導(dǎo)40。在其頂面上， 雙模波導(dǎo)40包括其中可以沉積分析物的傳感器片41。光借助于安裝或集成在雙模波導(dǎo)40 上的衍射光柵耦合器42而被耦合到雙模波導(dǎo)40中。基模和一階模由來自單個源(圖4中 未示出)的光束(例如激光)激勵，并且以與每個模式的相位匹配條件相對應(yīng)的不同入射 角θο、Q1射向衍射光柵耦合器42。兩個模式都被衍射光柵耦合器42衍射并傳播通過雙 模波導(dǎo)。如已經(jīng)提到的，靈敏度與傳感器片的長度或者與雙模波導(dǎo)的長度成正比。接下來， 對圖2b的設(shè)備靈敏度進行分析。如果使用轉(zhuǎn)移矩陣方法，為波導(dǎo)的每個模式創(chuàng)建光強度分布，其中該波導(dǎo)在二氧 化硅襯底(折射率1.46)上的折射率為2. 0(氮化硅)，包層為可變折射率。然后，在波導(dǎo)出 口的干涉圖案分布和由光檢測器各段生成的相應(yīng)信號作為模式之間相移的函數(shù)被計算。根 據(jù)下式對光檢測器各段所產(chǎn)生的信號重新進行計算得到輸出信號的相對變化民
Uup — UdownνSr =JT-TZ~’⑴
U Up "Γ UdowriUup、Udown分別是由光檢測器的上段和下段生成的信號。圖8示出仿真結(jié)果(民相 對于相移)。所有計算都是針對632. Snm的波長執(zhí)行的。模式振幅在之前已被歸一化。針 對400nm厚的波導(dǎo)建立的曲線(實線)要稍陡于針對300nm厚的波導(dǎo)的曲線(虛線)。原 因在于，對于薄波導(dǎo)，波導(dǎo)模式的不對稱分布更強。然而，曲線斜率之間的差別不那么顯著 對于300nm厚的波導(dǎo)為4/ π，而對于400nm厚的波導(dǎo)為4. 3/ π。
考慮均勻雙模波導(dǎo)，其中模式傳播直至達到距離L和波導(dǎo)的出口，則設(shè)備的靈敏 度，即，輸出信號發(fā)生的變化和包層折射率發(fā)生的變化之間的關(guān)系，由以下公式表示
⑷ncl表示包層的折射率，妒是兩個模式的相位差。在距離L之后，由于包層折射率變化引起的相位差可以表示為
⑶L是傳感器片的長度，λ是波長，Aneff0, Δ Ilrff1分別是由于包層折射率變化引起 的零階模和一階模的有效折射率變化。在(3)取代了(2)之后，得到設(shè)備靈敏度的表達式 如下
(4)包層折射率對基模的傳播常數(shù)nrff°和一階模的傳播常數(shù)Iirff1的影響不同。圖9 中示出導(dǎo)數(shù)》，》作為包層折射率的函數(shù)。虛線對應(yīng)于基模，實線對應(yīng)于一階模。波導(dǎo)
Onci Bncl
厚度對應(yīng)于口 "300nm,〇-350nm, Δ-420nm, V - 470 nm。顯然，波導(dǎo)模式穿透到包層中 越深，對兩個模式的折射率調(diào)制越有效。模式的穿透與波導(dǎo)厚度成反比，并且與Iiel成正比。 圖9中示出的兩個模式的導(dǎo)數(shù)都隨著包層折射率增大而增大。然而，一階模的傳播常數(shù)受 到包層折射率變化的強烈影響。導(dǎo)數(shù)之間的差別尤其顯著，從而在薄波導(dǎo)中的靈敏度更高。 例如，在300nm厚的波導(dǎo)中，靈敏度可能是在470nm厚的波導(dǎo)中的3倍。在圖9和表達式(3)中可以看到以每單位折射率的相移表示的靈敏度。從而，當(dāng) ncl約為1. 34時，在300nm厚和IOmm長的波導(dǎo)上，如果包層折射率改變6 X 10_4RIU (折射率 單位)，相位變化可以達到2π。在圖10中，對于四個不同的波導(dǎo)厚度口 -300nm，〇_350nm，Δ _420nm，
V - 470 nm,繪出借助于表達式(4)計算的靈敏度Sens相對于包層折射率的曲線。該靈 敏度是對于包層中每單位折射率變化，輸出信號的變化。計算是假定波導(dǎo)長度為IOmm而進 行的。這個參數(shù)限定了為了辨別干涉圖案的變化，檢測電路中所允許的本底噪聲?？梢杂^ 察到，當(dāng)利用比400nm要薄的波導(dǎo)工作時，的準(zhǔn)確度對于讀取輸出信號已經(jīng)足夠。所提 出的設(shè)備的靈敏度比得上通過硅技術(shù)制造的集成MZI的靈敏度。以下是制備的一個例子一面被拋光的硅晶片經(jīng)歷高溫氧化。作為該工藝的結(jié)果， 在該晶片的兩面(放置元件以形成波導(dǎo)的一面，以及背面)上都形成了約2μπι厚的二氧化 硅層。通過LPCVD技術(shù)，在所述元件和背面上都沉積約400nm厚的氮化硅層。在晶片的正 面上沉積PECVD 二氧化硅層。利用常規(guī)光刻法和在緩沖氫氟(HF)酸中的濕法刻蝕，在正面 上將波導(dǎo)圖形化。用氧等離子體來去除光致抗蝕劑。將晶片浸入HF溶液中一定時間，該時間足以去除二氧化硅掩模并同時在氮化硅上形成肋。使用選擇性刻蝕(PECVD氧化物的厚 度被選擇為與肋高度成比例)。如果用SiO刻蝕溶液(類似于HF 10%)進行刻蝕，則刻蝕 (氮化硅)的選擇比大約為1000/14。該技術(shù)使得能夠制造高度約為4nm、寬度約為4μπι的 肋波導(dǎo)。得到的波導(dǎo)能夠支持兩個橫向模式。因此它是雙模的，具有基模和一階模。然后， 在部分元件上沉積二氧化硅層作為保護層。借助于標(biāo)準(zhǔn)光刻法和在SiO刻蝕溶液中的濕法 刻蝕，在波導(dǎo)的表面上形成傳感器片。對于當(dāng)前的實驗，使用了支持側(cè)向單模的3μπι寬的波導(dǎo)。晶片被切成芯片，并且芯片被拋光以使波導(dǎo)端面被拋光。芯片被安裝在鋁基上，并且用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 微流體頭部覆蓋，該頭部具有通道以便在波導(dǎo)上提供試劑流。傳感器片L的長度是3mm。接下來描述根據(jù)本發(fā)明的基于雙模光波導(dǎo)的生物傳感器。通過將水丙三醇溶液 注入到通道中來進行檢測試劑折射率變化的實驗。圖11示出實驗布置的示意性視圖。由蠕 動泵提供所述流。來自氦氖激光器4'的光通過物鏡52聚焦為一束并射入到波導(dǎo)20'中。 在該情況中，激光器是IOmW的氦氖激光器，其還包括擴束器。物鏡相對于波導(dǎo)在垂直方向 上的輕微失準(zhǔn)使得能夠同時激勵兩個模式。由另一物鏡29'收集光，并且波導(dǎo)面的圖像被 投射到TSP 27'上。當(dāng)去離子水經(jīng)過傳感器片51時，信號是穩(wěn)定的。閥53用于將具有或 沒有試劑的流引向微流體單元中經(jīng)過傳感器片51的通道。然后，具有三個不同濃度、折射 率分別為1. 3356，1. 337和1. 39的溶液被注入到通道中。圖12a和12b中示出輸出信號的 時間圖。實驗是對不同的樣品和在不同的時間進行的，因此，從一個實驗到另一個實驗，調(diào) 制幅度和靈敏度不同。高濃度丙三醇溶液(44% vol.，折射率1. 39)的注入引起強烈的相 位變化和18 π的振蕩(參見圖12a)。低濃度丙三醇溶液(2. 2%或3. 3% vol.，相應(yīng)地，對 應(yīng)的折射率為1.3356和1.337)的注入導(dǎo)致弱的相位變化和分別為幾乎π和的振蕩 (參見圖12b)。分析實驗結(jié)果并假定去離子水的折射率為1.333，觀察到，包層RIU每變化0.006， 相位變化大約2π。在最靈敏位置處的曲線斜率約為0.06每10_4RIU。隨后，為了檢測 10_6RIU的折射率變化，測量輸出信號的絕對值需要6X10_4(0.06%)的精度。輸出信號的 穩(wěn)定性必須具有相同的量級。假定傳感器片為IOmm長，靈敏度是0.002每10_6RIU變化。 雖然在理論預(yù)測的靈敏度和實驗證明的靈敏度之間有一些差異，但這些差異是由于實驗中 所使用的耦合技術(shù)引起的，該耦合技術(shù)無法始終保證激勵模式之間適當(dāng)?shù)恼穹?。換而言 之，這種差異是工程限制的結(jié)果。本發(fā)明進一步提供一種用于檢測在局部環(huán)境中的確定的化學(xué)、生物或物理刺激物 中的變化(例如，刺激物的量或濃度)的引入的方法。該方法包括在類似于圖la、lb和Ic 中所示出的雙模光波導(dǎo)干涉儀中進行的下列步驟(a)在波導(dǎo)10、20、30、40的上部的局部環(huán)境中限定傳感器片21、31、41 ；(b)在所述傳感器片21、31、41中放置化學(xué)、生物或物理刺激物或分析物；(c)引入或引起在所述傳感器片21、31、41中的所述化學(xué)、生物或物理刺激物中的 變化；(d)將電磁輻射的基模和一階模耦合到所述光波導(dǎo)10、20、30、40中，使得當(dāng)兩個 模式行進通過在波導(dǎo)中限定的傳感器片21、31、41時，它們的特性經(jīng)歷相位延遲之類的變 化，其取決于所述化學(xué)、生物或物理刺激物中的變化；
(e)在所述波導(dǎo)的輸出端，測量所述基模的響應(yīng)相對于所述一階模的響應(yīng)；以及(f)將所述兩個模式的相對響應(yīng)與化學(xué)、生物或物理刺激物中的變化相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選地，步驟(e)包括(el)生成干涉條紋圖案；和 (e2)測量干涉圖案中的位移。優(yōu)選地，步驟(f)包括(fl)將干涉圖案中的位移與所述確定的化學(xué)、生物或物理刺激物中的變化的存在 相關(guān)聯(lián)?？傊岢隽司哂泻唵卧O(shè)計的基于雙模光波導(dǎo)的干涉儀和生物傳感器。在本文中，術(shù)語〃包括(comprises)‘‘及其派生詞(諸如〃 comprising"等)不 應(yīng)當(dāng)被理解為排除性的含義，即，這些術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被解釋為排除所描述和限定的可包括另 外的元素、步驟等的可能性。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"大約〃、“約〃、“大致(approximately)“以及" 基本上〃和同族的術(shù)語(諸如〃 approximate"等)應(yīng)當(dāng)被理解為表示與伴隨這些術(shù)語的 那些值非常接近的值。即，與精確值在合理限制內(nèi)的偏差應(yīng)當(dāng)是被接受的，因為本領(lǐng)域技術(shù) 人員將理解，由于測量不準(zhǔn)確等原因，這種示值偏差是不可避免的。另一方面，本發(fā)明顯然不限于這里描述的特定實施例，而是還包括本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以想到的在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明通常范圍內(nèi)的任何變化(例如，關(guān)于材料的 選擇、尺寸、元件、配置，等等)。
權(quán)利要求
平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，包括襯底(8，28，38，48)；包括沉積在所述襯底(8，28，38，48)上的至少一個層(1，2，3)的雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)，所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)被設(shè)計為支持零階和一階橫向傳播模式，所述橫向傳播模式具有不同的色散；位于所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)的上側(cè)的特定區(qū)域中的傳感器片(21，31，41，51)，所述傳感器片(21，31，41，51)被配置用于接收化學(xué)、生物或物理輸入刺激物，所述刺激物能夠改變所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)的有效折射率；其特征在于，所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)還包括被設(shè)計用于在側(cè)向限制光的限制裝置(9)，從而雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)被設(shè)計用于支持一個側(cè)向模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，包括被配置用于將光導(dǎo) 入所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)中的電磁輻射源(4，4，)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述電磁輻射源(4， 4’ )是激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述電磁輻射源集 成在襯底(8，28，38，48)的結(jié)構(gòu)中。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，包括偏振裝置。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，還包括其它聚焦直ο
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25)，其中所述聚焦裝置是透鏡(22，52)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25)，其中所述透鏡(22，52)的中心 軸被配置為在橫向與雙模波導(dǎo)(20，20’ )的縱對稱軸未對準(zhǔn)，從而當(dāng)將來自源的光通過所 述透鏡朝雙模波導(dǎo)(20，20’)直接聚焦時，在雙模波導(dǎo)(20，20’)中激勵第一和第二橫向傳 播模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(35)，包括在所述雙模波導(dǎo)(30)的一端連接的輸入波導(dǎo)(32)，所述輸入波導(dǎo)(32)被設(shè)計用于在 橫向和側(cè)向都支持單模；在所述雙模波導(dǎo)(30)的另一端連接的輸出波導(dǎo)(33)，所述輸出波導(dǎo)(33)被設(shè)計用于 在橫向和側(cè)向都支持單模；其中所述輸入和輸出波導(dǎo)(32，33)中的每一個的厚度小于所述雙模波導(dǎo)(30)的厚度， 從而由于在所述輸入波導(dǎo)(32)和所述雙模波導(dǎo)(30)的接合處的不對稱幾何結(jié)構(gòu)，所述單 模被分成所述第一和第二橫向傳播模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(35)，還包括用于將電磁輻射耦合到所 述雙模波導(dǎo)(30)中的裝置，其中所述裝置選自由以下項形成的組端射、直接聚焦、棱鏡耦 合、和衍射光柵耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(35)，其中耦合到輸出波導(dǎo)(33) 中的光量取決于在雙模波導(dǎo)(30)和輸出波導(dǎo)(33)之間的接合處存在的強度分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(45)，包括被設(shè)計用于以 不同的入射角(Qtl, 將光的一階和二階模式耦合到所述雙模波導(dǎo)(40)中的耦合裝置 (42)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(45)，其中所述耦合裝置(42)是耦合 到所述雙模波導(dǎo)(40)的輸入端的衍射光柵。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述雙模 波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)包括至少兩個層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中第一波導(dǎo)層具有 第一折射率，第二波導(dǎo)層具有第二折射率，所述第二波導(dǎo)層的折射率低于所述第一波導(dǎo)層 的折射率。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述零階 模式的有效折射率和所述一階模式的有效折射率實質(zhì)上不同。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述橫向 傳播模式的所述不同的色散取決于基于所述波導(dǎo)參數(shù)的傳播速度。
18.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，還包括檢測裝 置(27，27’，37，47)，用于在所述波導(dǎo)輸出端測量由于所述輸入刺激物引起的輻射強度的變 化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，其中所述檢測裝置 (27，27’，37，47)是兩段式光檢測器。
20.包括至少一個根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)的
21.包括根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項所述的平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)的傳感
22.—種感測方法，包括以下步驟(a)在光波導(dǎo)干涉儀(15,25,35,45)的雙模波導(dǎo)(10，20，20，，30，40)的特定區(qū)域中限 定傳感器片(21，31，41，51)；(b)在所述傳感器片(21，31，41，51)中放置化學(xué)、生物或物理刺激物；(c)引入或引起放置在所述傳感器片(21，31，41，51)中的所述化學(xué)、生物或物理刺激 物中的變化；(d)將電磁輻射的零階模式和另一個一階模式耦合到所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30， 40)中，使得當(dāng)兩個模式行進通過在雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)中限定的傳感器片(21， 31,41,51)時，它們經(jīng)歷相位延遲，該相位延遲取決于所述化學(xué)、生物或物理刺激物中的變 化；(e)在所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)的輸出端，測量所述零階模式的響應(yīng)相對于 所述一階模式的響應(yīng)；以及(f)將所述兩個模式的相對響應(yīng)與化學(xué)、生物或物理刺激物中的變化相關(guān)聯(lián)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的感測方法，其中所述測量所述零階模式的響應(yīng)相對于所述 一階模式的響應(yīng)的步驟包括生成干涉條紋圖案(11，12，13)；和測量干涉圖案(11，12，13)中的位移。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的感測方法，其中所述將所述兩個模式的相對響應(yīng)與化學(xué)、 生物或物理刺激物中的變化相關(guān)聯(lián)的步驟包括將所述干涉圖案中的位移與確定的化學(xué)、生物或物理刺激物中的變化的存在相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙模光波導(dǎo)的干涉儀和傳感器以及感測方法。平面光波導(dǎo)干涉儀(15，25，35，45)，包括襯底(8，28，38，48)；包括沉積在所述襯底(8，28，38，48)上的至少一個層(1，2，3)的雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)，所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)被設(shè)計為支持零階和一階橫向傳播模式，所述橫向傳播模式具有不同的色散；位于所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)的上側(cè)的特定區(qū)域中的傳感器片(21，31，41，51)，所述傳感器片(21，31，41，51)被設(shè)計用于接收化學(xué)、生物或物理輸入刺激物，所述刺激物能夠改變所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)的有效折射率。所述雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)包括被設(shè)計用于在側(cè)向限制光的限制裝置(9)，從而雙模波導(dǎo)(10，20，20’，30，40)被設(shè)計用于支持一個側(cè)向模式。提供了包括平面光波導(dǎo)干涉儀的芯片、傳感器和感測方法。
文檔編號G02B6/12GK101842691SQ200880106254
公開日2010年9月22日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者C·多米格茲·霍娜, K·齊諾維埃弗, L·M·萊楚加·高麥茲 申請人:科學(xué)研究高級委員會