一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片制造技术

一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同。本实用新型专利技术降低基于微环的光波导传感器的检测成本及有效解决微环传感器面临的温度相关问题。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光波导生物传感器，尤其是一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片。
技术介绍
目前，基于微环的光波导生物传感器得到了广泛的研究。由于环的谐振峰具有非常大的Q值(Q＝λres/Δλ3dB,λres是环的谐振波长，Δλ3dB是环响应频谱的半最大值全宽，即3dB带宽)，从而使得环的3dB带宽值Δλ3dB非常小，所以要精确探测环谐振时的中心响应波长就需要使用高精度的可调谐激光器或者是高精度的光谱仪，这大大增加了检测成本。M.Iqbal等人(M.Iqbal,et al,Label-free biosensor arrays based on silicon ring resonators and high-speed optical scanning instrumentation,IEEE JSTQE,vol.16,no.3,pp.654-661,2010.)利用微环做为传感单元并结合复杂的高精度扫面系统实现了10-7量级的折射率探测灵敏度以及多种生物分子的实时检测，整个系统由于使用了分立元件，结构较为复杂，成本非常昂贵。D.-X.Xu等人(D.-X.Xu,et al,Real-time cancellation of temperature induced resonance shifts in SOI wire waveguide ring resonator label-free biosensor arrays,Opt.Express,vol.18,no.22,pp.22867-22879,2010.)提出了将参考环和传感环一起置入微流通道中以使参考环和传感环具有真正意义上相同的外界环境来进行生物检测的结构示意，然后在利用参考环和传感环之间的温度变化关系将传感环中的温度效应进行消除从而进一步提高最终测试数据的真实可靠性，但是该结构中使用了分辨率为1pm的高精度可调谐激光器，增大了检测成本。浙江大学的何建军研究小组提出了双环级联的传感检测示意(Lei Jin,et al,Optical waveguide double-ring sensor using intensity interrogation with low-cost broadband source,Optics Letters,vol.36,no.7,pp.1128–1130,2011.)，它利用传感环和参考环之间微弱的自由光谱范围(FSR)差异来对传感信号进行游标放大，大大提高了传感检测灵敏度，同时在传感器的输入端利用宽谱光源作为检测光源大大降低了检测成本，该结构虽然具有简单、灵敏度高和成本低等优点，但是传感环和参考环二者之间所处的外界环境差异(比如二者的温度相关性等)较大，所以该结构中的温度噪音信号也同时被游标放大，使得我们很难从最终的检测信号中区分出噪音部分，对实验结果的准确性造成了一定影响，同时光源功率的抖动也会影响检测结果的准确性。现有的基于微环的光波导传感器都需要配备高精度的可调谐激光器、光谱仪或者复杂的高精度扫描检测系统，同时该微环传感器还具有温度相关问题，需要辅以相关的温度变化参照结构来消除温度引起的传感信号变化，另一方面，片上集成的生物传感器芯片由于其小型化、低成本、性能优良，能与电路系统集成并最终实现一个功能化的模块，该模块可以广泛应用于便携式医疗、电子移动设备等中，因而片上集成的生物传感芯片的研究备受瞩目。
技术实现思路
为了克服现有基于微环的光波导传感器的检测成本高以及微环传感器面临的温度相关问题的不足，本技术提供了一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，降低基于微环的光波导传感器的检测成本以及有效解决微环传感器面临的温度相关问题，并实现一个片上集成的芯片化传感检测系统。本技术的目的是通过如下技术方案实现的：一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同，即传感微环和阵列波导光栅随外界环境温度变化具有相同的温度相关性。进一步，所述阵列波导光栅具有三根输入波导，分别标记为I-1、I0和I1，I0为中心输入波导且与微环传感区域的下载端输出波导相连接，I-1和I1关于I0对称，输入波导I0和阵列波导光栅的第一个平板波导之间插入了一段线性锥形展宽区域，该展宽区域的末端宽度主要取决于I0端的输入光场在阵列波导光栅第二个平板波导的聚焦线上再次聚焦时该光场能量能被多少个相邻输出通道所接收，同时输入波导I-1和I1在与阵列波导光栅第一个平板波导的连接处的入口宽度和输出阵列波导在与第二个平板波导的连接处的入口宽度相同。再进一步，所述的微环传感区域含有多个微环时，各微环之间具有相同的波导结构参数以及不同的环周长。本技术的有益效果主要表现在：1、实现无热的传感检测，该芯片无需额外的温控设备以及温度参考器件，降低了芯片的功耗与成本；2、它以集成的宽带光源作为检测光源，利用阵列波导光栅来推测传感微环的谐振波长，同时利用集成的探测器阵列来获取阵列波导光栅各输出通道中的功率大小进而分析传感微环中发生的信息变化，整个芯片的检测无需昂贵的高精度可调谐激光器或者光谱仪，大大降低了成本；3、它可以在不同的材料平台中实现，比如氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等平台。附图说明图1是本技术提出的一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片的具体实施方式结构示意图，其中传感区域只有一个微环。图2是本技术提出的一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片的具体实施方式结构示意图，其中传感区域含有多个微环。图3是阵列波导光栅(AWG)的结构示意图。图4是传感微环在待检测溶液或分析物作上包层时的波导横截面示意图。图5是阵列波导光栅中阵列波导的横截面示意图。图6是阵列波导光栅的中心输入波导在该波导与输入平板波导交界面上的场分布再次聚焦于输出平板波导聚焦线上时被耦合进阵列波导光栅的相邻多根输出波导中的示意图。图7是对阵列波导光栅的输出光谱利用重心算法推算传感微环谐振波长的示意图。图8是硅芯层厚度为250nm的SOI条形波导分别在不同上包层情况下的温度相关性随波导宽度变化的示意图。图9是室温25℃时，传感区域包层为纯水(折射率为1.325)溶液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。图10是50℃时，传感区域包层为纯水(折射率为1.32224)溶液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。图11是25℃时，传感区域包层为含分析物的(折射率为1.335)溶液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。图12是50℃时，传感区域包层为含分析物的(折射率为1.33224)溶液时AWG的各输出通道检测到的功率大小分布。图13是外界环境温度分别为0℃、25℃、50℃和80℃时，传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，其特征在于：包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同，即传感微环和阵列波导光栅具有相同的温度相关性。

【技术特征摘要】
1.一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，其特征在于：包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同，即传感微环和阵列波导光栅具有相同的温度相关性。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹俊，乐孜纯，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33