專利名稱：一種基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及生物/化學物質的精確檢測和集成光學傳感領域，具體是ー種新型的基于硅基槽式波導的多模干涉型生物/化學傳感器的結構。
背景技術：
生物化學傳感器是能夠直接提供周圍的有關生物、化學物質的種類和濃度信息的傳感器，并且從電子計算機、新型材料和微電子處理技術的發(fā)展中獲得了發(fā)展動力，在環(huán)境監(jiān)測、生物技術、醫(yī)療診斷、藥物篩選、食品安全、環(huán)境和安全監(jiān)控以及其他的ー些領域發(fā)揮著非常重要的作用。光學生物/化學傳感器分為兩大類標記型，無標記型的傳感器。其中標記檢測具有成本聞、耗時、易干擾等缺點；而無標記型傳感器均具有靈敏度聞、響應快、實時檢測、無標記、小型化易集成等特點，在分子檢測、安全監(jiān)控、生物技術等領域得到廣泛的應用。 無標記型生物化學傳感器主要有三種，它們分別是基于表面等離子體共振的，基于波導漸逝波的，基于多模干渉型的生物/化學傳感器。其中基于前兩種的傳感器具有體積大、成本高、效率低等缺點，而多模干涉結構天然具有緊湊性、堅固性、容易制作和容差性好等優(yōu)點，基于硅基槽式波導的多模干涉型結構的提出在光學傳感領域是ー個創(chuàng)新的貢獻。本實用新型設計的錐形多模干涉器件具有很高的可靠性，在大范圍的生物和化學物品的檢測方面具有很大的潛在應用價值。另外，由于這種結構靈敏度高、檢測限低、小型化和低功耗等優(yōu)良特性可能會帶來潛在的大批量生產降低成本，實現商業(yè)化，在實際生活中得至IJ廣泛的應用。在此基礎上，還可以將光學、流體和電學功能集成在同一平臺上以獲得實驗上的單片微系統，進ー步為光學生物化學傳感領域開辟新型的道路。
發(fā)明內容技術問題為了克服現有光學生物/化學傳感器存在的不足，本實用新型提供一種基于硅基槽式波導的多模干涉器件，作為傳感器的主要部件。這種傳感器具有結構簡單、制作容差性好、緊湊便于集成、成本低、檢測效率高等優(yōu)點，可實現大范圍的生物和化學物質的檢測。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器，該傳感器包括用于輸入光信號的輸入波導，兩個輸出波導，即第ー輸出波導，第二輸出波導，多模干涉波導，輸入波導與第一輸出波導，第二輸出波導之間通過多模干渉波導連接；其中，多模干涉波導為錐形；單波長光信號從輸入波導輸入，在多模干涉波導區(qū)域發(fā)生多模干涉，基于多模干涉的自成像效應，輸入光經過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。優(yōu)選的，所述傳感器的多模波導為二次錐形曲線結構，并且在多模波導區(qū)域設有開槽，用于填充檢測液體層。[0010]有益效果I、核心傳感部件采用多模干涉波導，制作容差性好、可靠性高，不僅使得器件易于制作、經濟成本低廉，而且還能提高器件檢測物質的靈敏度和效率。2、多模干涉波導設計為錐形結構，可實現自鏡像長度很大程度的縮小，使得制作的器件更加緊湊、易于集成、適合大規(guī)模批量生產。3、器件的多模波導中引入的檢測槽利于制作微流通道，引入低折射率開槽，使得器件更趨于小型化，還適用于大范圍的生物/化學物質檢測。4、基于硅基波導，兼容成熟的CMOS加工エ藝，能夠實現硅基單片集成，在集成光學領域有著巨大的潛力。

圖I是本實用新型第一個實例的結構示意圖。圖2是本實用新型第一個實例的橫截面示意圖。圖3是本實用新型第一個實例中檢測物質折射率為I. 483的輸出端光場分布圖。圖4是本實用新型第一個實例中檢測物質折射率為I. 4852的輸出端光場分布圖。圖5是本實用新型的第一個實例中測得的在不同檢測物質折射率下的歸ー化輸出光功率圖。圖6是本實用新型第二個實例的結構示意圖。圖中標號說明如下輸入波導1，開槽2,第一輸出波導3,第二輸出波導4,多模干涉波導5,第一三等分開槽6，第二三等分開槽7，檢測液體層8，ニ氧化硅9，硅襯底10，硅芯層11。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。參見圖1-6，本實用新型公開了ー種基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器，該傳感器包括用于輸入光信號的輸入波導I，兩個輸出波導，即第一輸出波導3,第二輸出波導4,多模干涉波導5,輸入波導I與第一輸出波導3,第二輸出波導4之間通過多模干涉波導5連接。多模干涉波導5為錐形。單波長光信號從輸入波導I輸入，在多模干涉波導5區(qū)域發(fā)生多模干涉,基于多模干涉的自成像效應，輸入光經過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。所述傳感器的多模干涉波導5為二次錐形曲線結構，并且在多模干涉波導5區(qū)域設有開槽2，用于填充檢測液體層8。器件選用多模干涉波導5，偏振不敏感、帶寬高、制作容差性好，具有大的工作范圍；錐形結構設計，減小器件長度，緊湊性好；用于填充檢測物質的開槽2，能大大縮小多模波導的自鏡像長度，使器件小型化，同時提高了檢測效率。第一輸出波導3，第二輸出波導4的光功率變化，即可反映出物質(濃度、類別等)的變化情況，靈敏度較高?；诠杌凼藉F形波導的多模干涉型生物/化學傳感器，主要傳感器件由一條單模輸入波導I、兩條對稱單模輸出的第一輸出波導3、第二輸出波導4、中間多模干涉波導5和低折射率開槽2構成，其中多模干涉波導5的形狀設計為錐形結構，通過合理設計錐形結構的相關參數能夠大大縮小多模干涉器件的自鏡像長度，從而使得傳感設備更趨于小型化、易集成。設計多模波導符合錐形結構W (z) =W1+ (W0-W1) (LWI/2-z)2/ (L匿/2)2 其中 Wtl 和 W1 分別是干涉區(qū)域在 z=0，Z=L匪/2處的寬度，z是光的傳輸方向，Lmmi是多模干涉波導5的長度。通過理論推導證明，錐形結構的自鏡像長度是我們所熟悉的矩形多模干涉器件自鏡像長度的1/x，自映像減小的幅
度與波導的寬度等參數有密切關系，其中X = 2(1 ’卿~デ、(1_(ふ))2 ’ Y2=W0Zff1-L(1Ω=トW所述的錐形多模干涉?zhèn)鞲衅骷幸胝凵渎市∮诙嗄８蓽h區(qū)域折射率的槽，則會影響到自鏡像長度，使得制作的傳感器更加緊湊、小型化。本實用新型結構在多模干涉波導中間沿著縱向長度引入一條槽，則波導的自鏡像 長度會縮小為原來的1/2且并沒有表現出不良現象。本實用新型結構在多模干涉波導中間沿著縱向長度引入兩條槽，則自鏡像長度會縮小為原來的1/3且并沒有表現出不良現象。本實用新型的基于硅基的槽式錐形多模干涉型生物/化學傳感器，槽中用來填充需要檢測的液體，檢測物質一旦發(fā)生改變(濃度等)，則槽中的折射率也會發(fā)生改變，隨之引起波導的自鏡像長度發(fā)生改變，最終導致輸出信號的強度差變化，因此具有很好的傳感檢測功能。而且基于本身結構的優(yōu)良特性，相比國外研究的基于表面等離子體共振、漸逝波和矩形多模波導結構生物化學傳感器，所述結構緊湊、高可靠、制作容差性好，靈敏度也有一定的提高，所述結構非常適合于生物/化學物質的檢測。單波長光信號從第一輸入波導I輸入，在多模干涉波導5區(qū)域發(fā)生多模干涉,基于多模干涉的自成像效應，輸入光經過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。所述傳感器的多模干涉波導5為二次錐形曲線結構，并且在多模干涉波導5區(qū)域設有開槽2，用于填充檢測液體層8。開槽2中檢測液體層的折射率、濃度發(fā)生改變，則多模波導的有效折射率也會發(fā)生改變，從而影響光在多模干涉波導5的干渉，通過探測第一輸出波導3，第二輸出波導4的光信號強度變化，即可檢測出檢測液體層的折射率、濃度等變化情況。圖3和圖4分別對應檢測物質折射率為I. 483和I. 4852的光在傳輸方向的功率分布圖，可見折射率發(fā)生微小變化，輸出端1200um處光功率發(fā)生較大變化，分辨率高。多模干涉器件具有帶寬高、對偏振不敏感、制作容差性好等優(yōu)點，但是，一般地由于輸入輸出端口數量以及自映像長度的要求，多模干涉器件的長度值會達到毫米甚至厘米級別，對于制作緊湊型傳感器非常不利。所以本實用新型基于設計方案的理論支持，提出了兩種減少器件長度的優(yōu)化設計一是增加檢測槽的數目；ニ是將多模干涉設計成錐形結構。本實用新型的設計結構非常適合于制作生物/化學傳感器，為提高檢測器件的精
確度和可靠性，本實用新型采用如下的測量方法定義輸出信號功率差= 其中
Pl +1)2Pl是第一輸出波導3的輸出光功率，相應的P2是第二輸出波導4的輸出光功率。所以，當檢測槽中液體的折射率發(fā)生微小變化的時候，可以通過計算來檢測開槽2中填充物質的折射率的變化，能夠非常準確地檢測出物質(濃度、類別等)。如圖5所示，開槽2中折射率η從I. 484到I. 485以O. 0002步長變化時兩端ロ的歸ー化輸出功率，所以可以通過計算Λ P來檢測槽中填充物質的折射率的變化，并且得到了 10_4RIU數量級的分辨率。此方法操作簡單、測量精確、可靠性好，非常適合于在生物/化學傳感器中進行數據采集和分析。圖6是本實用新型的第二個實例，在多模干涉波導5中引入兩條對稱的第一三等分開槽6、第二三等分開槽7，則多模干·渉的自鏡像長度進ー步縮小，制作的傳感器也更為小型化，便于集成，而且提高了檢測效率。以上僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器，其特征在于該傳感器包括用于輸入光信號的輸入波導(I)，兩個輸出波導，即第一輸出波導(3),第二輸出波導(4),多模干涉波導(5),輸入波導(I)與第一輸出波導(3),第二輸出波導(4)之間通過多模干涉波導(5)連接；其中， 多模干涉波導(5)為錐形； 單波長光信號從輸入波導(I)輸入，在多模干涉波導(5)區(qū)域發(fā)生多模干涉,基于多模干涉的自成像效應，輸入光經過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。
2.根據權利要求I所述的基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器，其特征在于所述傳感器的多模干涉波導(5)為二次錐形曲線結構，并且在多模干涉波導(5)區(qū)域設有開槽(2 )，用于填充檢測液體層(8 )。
專利摘要本實用新型公開了一種基于硅基槽式波導的多模干涉型生物化學傳感器，其特征在于該器件包括用于輸入光信號的輸入波導(1)，兩個輸出波導，即第一輸出波導(3)，第二輸出波導(4)，多模干涉波導(5)，輸入波導(1)與第一輸出波導(3)，第二輸出波導(4)之間通過多模干涉波導(5)連接；其中，多模干涉波導(5)為錐形；單波長光信號從輸入波導(1)輸入，在多模干涉波導(5)區(qū)域發(fā)生多模干涉，基于多模干涉的自成像效應，輸入光經過自鏡像長度再生，選自鏡像長度作為該器件的長度。本實用新型具有結構緊湊、偏振不敏感、帶寬高、制作容差性好，具有大的工作范圍等特點。
文檔編號G01N21/41GK202614674SQ20122000820
公開日2012年12月19日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者肖金標 申請人:東南大學